автореферат диссертации по радиотехнике и связи, 05.12.07, диссертация на тему:Антенные системы базовых станций сотовой связи третьего поколения

003485074

На правах рукописи УДК 621.396.33:528.8

Тай За У

АНТЕННЫЕ СИСТЕМЫ БАЗОВЫХ СТАНЦИЙ СОТОВОЙ СВЯЗИ ТРЕТЬЕГО

ПОКОЛЕНИЯ

Специальность 05.12.07 - «Антенны, СВЧ - устройства и их технологии»

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

2 С НОЯ

Москва 2009

003485074

Работа выполнена на кафедре Радиофизики, антенн и микроволновой техники Московского авиационного института (государственного технического университета).

Научный руководитель - доктор технических наук,

профессор, Воскресенский Д. И.

Официальные оппоненты - доктор технических наук,

профессор, Каплун В. А.

кандидат технических наук Ганицев А. Ю.

Ведущая организация: Союз участников рынка инфокоммуникационных услуг

Защита состоится « Чг ъ^ел&г/кл 2009 г. в /Г:^¿яасов на заседании диссертационного Совета Д 212.125.03 Московского авиационного института .

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке МАИ.

Отзыв, заверенный печатью, просим направлять по адресу: 125993, ГСП - 3, А - 80, Москва, Волоколамское шоссе, д.4. Ученый Совет МАИ.

Автореферат разослан

Ученый секретарь диссертационного Совета, доцент, к.т.н.

Сычев М. И.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы

В настоящее время интенсивно развиваются телекоммуникационные системы и наметился значительный прогресс в сфере организации сетей мобильной связи. Можно выделить этапы развития систем подвижной связи первого, второго, третьего поколения и т.д. Качественные характеристики таких систем на каждом из этапов развития в значительной степени определяются антенными устройствами. Переход к антенным системам 3-ого поколения обусловлен необходимостью существенного расширения функциональных возможностей систем подвижной связи, таких как высокая скорость передачи данных, быстрый доступ к сети Internet, возможность проведения видеоконференций. Система подвижной связи третьего поколения 3G может включать в себя микроячейки для пешеходов, с радиусом обслуживания до 2 км, макроячейки для автомобилистов - до нескольких десятков км и гиперячейки до сотен и тысяч км для морских речных и воздушных судов, обслуживаемых спутниковой составляющей системы. Качественные характеристики универсальной системы подвижной связи третьего поколения в значительной степени определяются антенными устройствами базовых станций.

Особенностью антенных систем базовых станций сотовой связи третьего поколения является необходимость работы в трех частотных диапазонах в каждой соте. Сеть 3G является динамической сетью с изменяющейся зоной покрытия, так как изменение частоты в пределах каждой соты приводит к существенному изменению ее площади. Поэтому антенна базовой станции сотовой связи третьего поколения в отличии от антенн сетей первого и второго поколений с неизменными границами зон обслуживания, должна иметь возможность электрического управления лучом ДН в вертикальной плоскости, уменьшающего негативные эффекты от взаимного влияния соседних сот.

При проектировании сетей 3-го поколения необходимо изменять ДН в зависимости от вида предоставляемого сервиса, что предполагает организацию покрытия с четким очертанием ДН и достаточно гибкой системой управления этим покрытием.

В настоящее время для обеспечения работы базовой станции в трех диапазонах применяется несколько антенн, каждая из которых работает в одном частотном диапазоне. Размещение трех антенн для каждого диапазона имеет существенные недостатки и может привести к перегрузке несущей конструкции. Поэтому возникает необходимость перехода от узкополосных антенн к совмещенным или широкополосным антеннам.

Таким образом, рассматриваемые антенные системы должны состоять из малогабаритных и широкополосных элементов, таких, например, как микрополоско-вые излучатели. Следует также отметить, что излучатели Вивальди уже используются для построения антенных систем базовых станций сотовой связи третьего и четвертого поколения зарубежом, что отражено в обзоре литературы в диссертационной работе.

Из представленного многообразия серийно выпускаемых антенн отсутствует возможность подобрать антенны обеспечивающие работу базовой станции стандарта Зв, т.е. имеющие неизменные сектора обзора в горизонтальной плоскости 45°, 60° и 90° на всех частотах трех диапазонов. Можно отметить также относительно высокую стоимость антенн базовых станций, выпускаемых серийно. Представляет интерес создание унифицированного ряда современных широкополосных антенн, позволяющих строить на их базе многолучевые антенные системы для создания равномерной освещенности по дальности зоны обслуживания и косекансных ДН.

С учетом вышеизложенного можно сформулировать основные цели и задачи диссертационной работы.

Цель работы

Целью диссертационной работы является исследование характеристик направленности и частотных свойств антенных систем базовых станций сотовой - связи третьего поколения и изыскание возможности их построения на основе широкополосных антенн. В соответствии с поставленной целью в диссертационной работе решены следующие задачи:

- исследование направленных свойств и частотных характеристик широкополосных излучателей, обеспечивающих требуемое изменение характеристик направленности в зоне обслуживания пользователей

- разработка приближенных методик расчета диаграмм направленности широкополосных излучателей

- построение ДН антенной решетки, обеспечивающий оптимальные характеристики направленности в зоне обслуживания пользователей

Методы исследования: вычислительные методы электродинамики, теории антенн, численные методы математического анализа, численное моделирование характеристик широкополосных излучателей на ЭВМ.

Научная новизна заключается в следующем:

- Определены конструкции излучателя, обеспечивающего допустимое изменение характеристик направленности в трех частотных диапазонах стандарта Зв с секторами обзора в 90°,60° и 45°

- Разработана методика расчета характеристик направленности излучателя

- Построение характеристики направленности антенной системы базовой станции сотовой связи

Достоверность основных результатов работы подтверждается решением тестовой задачи и сравнением полученных результатов с известными из литературы теоретическими данными, а также соответствием полученных результатов с общей теорией антенн. Приведенные теоретические данные согласуются с известными экспериментальными результатами

Практическая значимость результатов работы I. Разработаны три варианта широкополосных секторных антенн базовых станций третьего поколения, обеспечивающие допустимое изменение ширины луча в

пределах±1дБ для перекрытия зон обслуживания в горизонтальной плоскости в секторах 45°, 60° и 90°.

2. Развиты приближенные методики и программа расчета характеристик направленности широкополосных излучателей

3. Показана возможность построения фазированных антенных решеток и адаптивных антенных систем на основе широкополосных излучателей

4. Предложены варианты построения антенных систем базовых станций сотовой связи третьего поколения

Внедрение

Результаты диссертационной работы были использованы в учебном процессе при проведении практических занятий по дисциплине «Проектирование антенн и СВЧ устройств» на кафедре радиофизики, антенн и микроволновой техники Московского авиационного института (государственного технического университета).

Апробация результатов работы и публикации

Основные положения и результаты работы докладывались на 4 конференциях и опубликованы в 2-х статьях в журналах "Антенны" и "Информационно-измерительные и управляющие системы" и 6-и публикациях в форме тезисов к докладам.

Объем и структура работы

Диссертационная работа состоит из введения, 4-х глав, заключения, списка литературы. Работа содержит 107 страниц текста. Список литературы включает .66 наименований на 7 страницах.

Основные положения, выносимые на защиту :

- Характеристики широкополосных излучателей на основе симметричных щелевых линий и возможности применения их для построения направленных антенных решеток базовых станций сотовой связи стандарта Зв

- Алгоритмы расчета широкополосных излучателей на основе симметричных щелевых линий

- Решение задач построения антенных систем базовых станций сотовой связи

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность темы, дан обзор состояния вопроса, сформулированы цель и основные задачи исследования, описаны состав и структура работы, показаны ее научная новизна и практическая ценность, приведены положения, выносимые на защиту.

В первой главе диссертационной работы приведен обзор работ, посвященных антенным системам базовых станций сотовой связи. Рассмотрены антенные решетки базовых станций сотовой связи первого, второго и третьего поколения, многолучевые и адаптивные антенные системы, антенны MEMO систем, а также конструкции и характеристики антенн базовых станций сотовой связи, применяемых на практике.

Первоначально для покрытия зон обслуживания в системах 1G и 2G использовались всенаправленные антенны, имеющие широкую (180°) ДН в горизонтальной плоскости. Затем базовые стации систем сотовой радиосвязи стали использовать антенные устройства, имеющие б направленных антенн. Станция может также иметь разнесенные передающую и приемную антенные системы. Пространственный разнос приёмной и передающей антенн уменьшает интерференционные помехи и обеспечивает необходимую устойчивость связи.

Как было отмечено выше, специфика сетей 3G заключается в необходимости организации динамического покрытия, которое бы позволило оптимизировать энергетическое параметры сети в зависимости от нагрузки. Такое покрытие предполагает использование принципиально новых антенн с дистанционным управлением углом наклона, позволяющих поддерживать оптимальный уровень мощности за счет динамического изменения площади покрытия в процессе эксплуатации, в частности, адаптировать мощность к нагрузке на отдельных участках покрытия в течение дня в часы «пик», а также подстраивать покрытие при существенном увеличении нагрузки без выезда специалистов на место.

На рис.1 показана антенна базовой станции третьего поколения. Из рисунка I видно, что такая антенная обеспечивает работу базовой станции в трех диапазонах, за счет увеличения числа антенн, каждая из которых работает в одном частотном диапазоне. Размещение трех антенн для каждого диапазона имеет существенные недостатки и может привести к перегрузке несущей конструкции. Поэтому возникает необходимость перехода от узкополосных антенн к совмещенным или широкополосным антеннам.

Рис.1. Антенна базовой станции третьего поколения При проектировании сетей 3-го поколения необходимо изменять ДН в зависимости от вида предоставляемого сервиса, что предполагает организацию покрытия с четким очертанием ДН и достаточно гибкой системой управления этим покрытием. I Перспективным направлением, реализующим гибкую систему управления покрытием зоны обслуживания является разработка смарт-антенн с цифровым диаграммооб-разованием. '

Одним из способов повышения скорости и дальности передачи данных в беспроводных системах является применение нескольких антенн на входе и выходе ■! микросхемы, реализующей беспроводное подключение к локальной сети. Эта технология получила название multiple-input multiple-output (MIMO). Технология по-i зволяет согласованно извлекать информацию, поступающую по нескольким каналам с помощью разделенных в пространстве антенн. Недостатком таких систем является ухудшение качественных характеристик в случае отсутствия переотражений, на-1 пример, на открытых пространствах с неплотной застройкой.

Во второй главе рассмотрены строгие и приближенные методы расчета широ-» ! кополосных излучателей на основе симметричных щелевых линий и приведены ре-

зультаты численных исследований широкополосных излучателей антенной системы базовой станции сотовой связи. Исследование и разработка антенных систем базовых станций сотовой связи были проведены первоначально для горизонтальной плоскости.

Для расширения функциональных возможностей антенных систем современных базовых станций сотовой связи возникает необходимость в исследовании'и разработке широкополосных антенн, обладающих высоким усилением и малыми мас-согабаритными характеристиками. Как показано в обзоре литературы, наилучшими массогабаритными и частотными характеристиками обладают излучатели Вивальди и находят широкое применение в телекоммуникационных системах зарубежом.

Однако, направленные свойства излучателя Вивальди не позволяют использовать его для построения антенн с малым изменением ширины ДН в горизонтальной плоскости. Синтез геометрии щелевой антенны существенно уменьшает значение коэффициента отражения волн на входе антенны, но слабо влияет на ширину ДН в Н-плоскости. Поэтому в Н-плоскости необходимо проанализировать возможности построения фокусирующей системы или решётки и оптимизировать ее геометрию таким образом, чтобы в пределах трех частотных диапазонов, ширина ДН менялась в пределах ЗдБ±1дБ.

Первоначально проводилось исследование и разработка излучателя для трёх частот с шириной луча в горизонтальной плоскости 90° на основе излучателя Вивальди. Трудность решения такой задачи заключалась в изменении направленности такой антенны при изменении рабочей частоты более чем в два раза.

Методом параметрического синтеза излучателя были рассмотрены различные варианты построения излучателя и излучатель с отражателем для того чтобы обеспечить требуемые частотные свойства. В диссертации приводится таблица различных вариантов антенн для проведенных исследований. Методом параметрического синтеза были определены варианты, которые удовлетворяют поставленной задаче. Это достигнуто соответствующим выбором самого излучателя отражателя и их взаимного расположения.

Исследование и разработка антенны базовой станции сотовой связи Зв с сектором обзора в горизонтальной плоскости были начнаты для более простого варианта с шириной луча в горизонтальной плоскости в 90. На рис.2 показан общий вид антенны с шириной луча 90° в горизонтальной плоскости.

УБЛ-J.GjS УБЛ—11.2дВ *"""*' -й£К»

а) 3)

Рис.4. Диаграммы направленности в Е-плоскости для излучателя с сектором обзора

в 90°.

.) 0 —au«-"

VEÎB--lU ДБ У№-USaS

УБЛ--t.l дЕ

Si ~yl.C-ïïjjB

>Т.Л—УД дБ

Рис.3 Диаграммы направленности излучателя Вивальди в Н-плоскости для излучателя с сектором обзора в 90° На рис.4 показаны диаграммы направленности в Е-плоскости и на рис.5 представлена зависимость КСВ на входе полоскового возбудителя от частоты.

Параметр А В

Величина (•ш) 137.76 132.7

а) б)

Рис.2, а- общий вид излучателя с рефлектором, б - чертеж рефлектора

На рис.3 приведены диаграммы направленности такого излучателя Н-плоскости.

и

Рис.5.3ависимость КСВН на входе полоскового возбудителя от частоты Далее решалась задача построения излучателя с шириной ДН в горизонтальной плоскости с 60°. Для получения ДН с шириной 60° в Н-плоскости кроме фокусирующей системы желательно применить решётку. Решетка из двух элементов с рефлектором показана на рис.6.

Параметр

т

в

* —--

—~ Ветчина Ын.1

Рис. 8.Диаграммы направленности в Н-плоскости для излучателя с сектором обзора в

60°

Рис.7.Диаграммы направленности в Е-плоскости для излучателя с сектором обзора в

60°

Рис.6. Общий вид излучателя с рефлектором

Далее решалась задача построения излучателя с шириной ДН в горизонтальной

плоскости с 45°.

«5

в

'5

»5. ......

6.

М

[ ...1___ _____|_____

О

и и Р

Ц и ::г: г:,/ И7Г

г f т

5 06 0 > •л 1? > 1« 15 1 15 М )3 г г»

Рис. 10.Зависимость КСВН на входе полоскового возбудителя от частоты

Рис. 11. Диаграммы направленности в Е-плоскости для излучателя с сектором

обзора в 45°

Рис. 12. Диаграммы направленности в Н-плоскости для излучателя с сектором

обзора в 45°

г

Расчет антенны является важной частью ее разработки, поэтому целесообразно минимизировать связанные с ним временные и вычислительные затраты. Для-более точного определения характеристик направленности применяются строгие методы расчета, в которых находится распределение поля вдоль щели на тонкой диэлектрической подложке с использованием тензорной функции Грина в спектральной области и применением метода Галеркина.

Наиболее простым приближенным методом расчета антенны на основе симметричной щелевой линии является метод, основанный на замене щели антенной решеткой из элементов, расположенных на месте щели рис.13.

Рис.13. К расчету ДН антенны Вивальди. Векторная комплексная ДН системы излучателей имеет вид: Р[в,ф) = П{в,ф)/р{9,ф),

(1)

Где /1 (в,ф) - векторная комплексная ДН элемента, / (0,^) - множитель решетки.

Множитель решетки определяется как для линейного источника тока:

. (кЬктвьтф-В) эш!

кЬ^твътф—' ГД6 ^ ~ Длина Щели, $ - коэффициент замедления (2) 2

ДН элемента определяется по формуле:

При ступенчатой аппроксимации антенны Вивальди рис.8 необходимо, чтоб шаг увеличения ширины щели был намного меньше четверти длины волн м>„ - «А/4. Для этого были разработаны программы, реализующие ступенч

тую аппроксимацию экспоненциальных раскрывов и раскрывов, образованных п тем изгиба щелевой линии по дуге окружности. На рис.14 показаны примеры с-пенчатой аппроксимации экспоненциального раскрыва и раскрыва, образованног путем изгиба щелевой линии по дуге окружности.

: У ; ;: ¿г "rS. ! У

UZKl

--.кн;:. -is;

! : i

! ! у \

l—«d5*; 1 «

Рис.14.Ступенчатая аппроксимация: а - экспоненциального раскрыва, б - раскрыва образованного путем изгиба щелевой линии по дуге окружности.

Результирующее поле в дальней зоне будет определяться суммированием вкла да в излучение, вносимого каждым регулярным участком:

Е{в,ф)= Z Еп(в,ф) (4)

п-1

Данный метод расчета был использован для решения тестовой задачи, в кото рой рассматривалась антенна на основе симметричной щелевой линии постоянно' ширины. На рис.15 показаны результаты расчета ДН такой антенны и с помощь вышеизложенного метода, программы Microwave studio, а также результаты экспе риментального исследования щелевой антенны.

ширины (1=5Я., w=0,5X).

Решение тестовой задачи показывает хорошее совпадение с решением в Microwave Studio и с экспериментальным результатом рис. 15. Однако, все вышеперечисленные методы громоздки для практического использования и представляют интерес как поиск подходов к решению электродинамической задачи об излучении антенны. Для инженерных задач подходят методы численного электродинамического моделирования, реализуемые в программных комплексах, предназначенных для расчета антенн и СВЧ устройств.

Третья глава посвящена разработке методик синтеза оптимальной формы диаграммы направленности антенной системы базовой станции сотовой связи в вертикальной плоскости.

В условиях развития современных средств связи очень важно соблюдать электромагнитную совместимость как с уже существующими системами, так и внутри самой системы связи. Так же для базовой станции важно обеспечить однородность поля в зоне обслуживания. Для этого возможны следующие варианты покрытия зоны обслуживания в вертикальной плоскости: •применение многолучевых антенных систем рис.16;

•применение адаптивных антенных систем, обеспечивающих динамическое перекрытие зоны обслуживания, в зависимости от концентрации абонентов; •применение фазированных антенных решеток, с электрическим или механическим управлением лучом в вертикальной плоскости;

а) б) а) б)

Рис.16. Перекрытие зоны обслуживания многолучевой антенной решеткой, а) ДН антенны в горизонтальной плоскости, б) ДН в вертикальной плоскости Одним ю возможных способов обеспечения оптимального покрытия зоны обслуживания является формирование специальной формы ДН в вертикальной плоскости рис.17. На рис.18приведены результаты синтеза косекансной ДН восьмиэле-ментной линейной решетки при наличии фазовых ошибок. Из расчета видно, что оптимальной формой ДН в вертикальной плоскости является косекансная форма.

соседняя cora

соседняя сота

5 km

Рис.17.Покрытие зоны обслуживания в горизонтальной и вертикальной плоскости соответственно.

Рис.18.Диаграммы направленности восьмиэлементной антенной решетки с равномерным амплитудным распределением и с амплитудным распределением, соответствующим формированию косеканса при наличии фазовых ошибок Четвертая глава посвящена разработке схем возбуж-

.....Шриипшй метол 1

— Рмнеыеря»« АР с фаютоА ммбюЛ

— Заданна* ДН

дуния антенных систем базовых станций сотовой связи третьего поколения.

Разработанные варианты излучателей с заданным сектором зоны обслуживания в 90°, 60° и 45° по азимуту имеют соответствующую направленность в вертикальной плоскости. Ширина луча по уровню 3 дБ и коэффициент усиления излучателя Вивальди с рефлектором определены во второй главе. Это дает возможность увеличить увеличения КУ отдельного излучателя до 5,9-8,2 дБ на частоте 0,9 ГГц, 8,2-10,7 на частоте 1,8 ГГц, 9,2-11,4 на частоте 2,1 ГГц; что значительно превышает КУ используемых излучателей предшествующих .поколения а также позволяет для формирования вертикальной ДН базовой станции использовать один излучатель Вивальди ( для одновременной работы на прием и передачу) или два излучателя для раздельной работы по прём и передачу рис.14. На рис.15 приведена система возбуждения одного излучателя на трёх частотах с использованием разделительных фильтров ( мультиплексоров ) со стандартным входом на РК с 50 Ом волновым сопротивлением.

а) б) в)

Рис.14. ДН излучателя Вивальди: а - с шириной ДН 90° в горизонтальной плоскости

на частоте 2.1 ГТц, б - с шириной ДН 60° в горизонтальной плоскости на частоте 2.-1 ГГц, в - с шириной ДН 45° в горизонтальной плоскости на частоте 2.1 ГГц и требуемая косекасная ДН в вертикальной плоскости.

У \

нММФ2МФТ

ф ф Ф

в с п

Рис.15. Система возбуждения одного излучателя на трёх частотах с использованием

разделительных фильтров I

В современных системах сотовой связи обычно используются цифровые методы обработки сигнала, которые реализуются непосредственно в решетке и фидерном тракте. Основным недостатком ФАР и многолучевых систем является их узко- :

]

полосность. В предложенном решении использованы широкополосные излучатели и > отдельные системы возбуждения (питания) на три различные частоты рис.16, а так- ; же цифровые методы формирования луча при использовании вертикальной антенной решетки из излучателей Вивальди, чем устраняются отмеченные недостатки.

Таким образом, разработанные излучатели для трёх вариантов антенн Зв позвояют построить решётку для формирования управляемой ДН базовой станции в вертикальной плоскости. Это управление можеть быть как например ФАР, многолучевых или адаптивных решетках и представляет самостаятельную задачу находяющуюся за приделам рассматриваемой проблемы.

Рис.16, а -система широкополосных излучателей с рефлектором, б- система возбуждения, формирующая косекансную ДН на трех частотах. На рис. 17 приведена схема возбуждения вертикальной решетки из излучателей Вивальди для формирования управляемой вертикальной ДН на Зх частотах. Эта схема

позволяет построить многолучевую ДН, фазируемую антенную решетку, а также

адаптивную антенную систему с цифровыми методами управления ДН.

<

\п/

Рис.17. Схема возбуждения вертикальной решетки из излучателей Вивальди.

В заключении сформулированы основные результаты диссертационной работы.

В диссертационной работе проведён обзор и анализ существующих антенн базовой станции 2-го поколения, даны некоторые сведения по антеннам для базовых станций 3-го поколения. В результате показана целесообразность разработки новых антенн для базовой станции 3-го поколения, которые позволили бы существенно уменьшить общее число антенн, находящихся на одной башне.

1. Путем параметрического синтеза с помощью численных методов электродинамики были проведены исследования влияния уголкового отражателя на характеристики направленности одиночного излучателя и решётки из двух излучателей при различном расположении излучателей и отражателя. В результате численных исследований были определены конструкции излучателей, имеющие хорошие массогаба-ритные характеристики и обеспечивающие допустимое изменение ширины луча в горизонтальной плоскости рабочих диапазонах частот базовой станции сотовой связи третьего поколения. Исследованы характеристики направленности излучателей антенных систем базовых станций сотовой связи третьего поколения. Определены зависимости характеристик направленности от частоты, иллюстрирующие возможность работы излучателей в трех рабочих диапазонах базовых станций сотовой связи третьего поколения.

2. Рассмотрены оптимальные формы диаграмм направленности в вертикальной плоскости. Выполнен синтез восьмиэлементной антенной решетки двумя методами: методом парциальных диаграмм и методом Фурье. Показано, что синтезированная ДН косекансной формы при наличии 10°/о-ных фазовых ошибок обеспечивает более равномерное распределение поля, чем антенна с равномерным амплитудным распределением и фазовыми ошибками. Определены «слепые» зоны, возникающие при использовании антенны с равномерным амплитудным распределением.

3. Предложено построение антенн базовых станций осуществлять на основе широкополосных антенных решеток из излучателей Вивальди, совмещенных с уголковыми модифицированными рефлекторами.

4. Предложены варианты схемы построения антенных решёток для формирования диаграммы направленности в вертикальной плоскости. Применение цифровых методов обработки сигнала, принятых в системах сотовой связи, позволяет построить как ФАР, так и многолучевые адаптивные решётки для базовой станции на основе предложенных антенн.

5. Показаны схемы возбуждения излучателей базовых станций для различных вариантов при работе на трёх частотах.

СПИСОК ОСНОВНЫХ ПУБЛИКАЦИЙ

1. Овчинникова Е. В., Тай За У.Антенны для базовых станций сотовой связи стандарта 30. Труды научно-технической конференции молодых ученых «Информационные технологии и радиоэлектронные системы», посвященной 80-летию профессора П.А. Бакулева. Москва, 21 апреля 2008 г.

2. Овчинникова Е. В., Тай За У ."Антенны для базовых станций сотовой связи стандарта 3 С'. Труды 4-й международной молодежной научно-технической конференции «Современные проблемы радиотехники и телекоммуникаций РТ-2008», Севастополь, апрель 21-25,2008 г.

3. Д. И. Воскресенский, Е. В. Овчинникова, Тай За У. "Антенны базовых станций третьего поколения" 18-я Международная Крымская Конференция «СВЧ-

техника и телекоммуникационые технологии», Севастополь, Украина 8-12 Сентября 2008г.

4. Д. И. Воскресенский, Е. В. Овчинникова, Тай За У. "Антенные системы базовой станции системы сотовой связи стандарта GSM и 3G(o63op работ)", Антенны, «РАДИОТЕХНИКА», № 6, 2008 г.

5. Овчинникова Е. В., Тай За У. Широкополосные антенны телекоммуникационных систем с постоянной зоной покрытия. Труды научно-технической конференции молодых ученых «Информационные технологии и радиоэлектронные системы», посвященной 100-летию профессора Б.Ф. Высоцкого. Москва, 24 апреля 2009 г.

6. Овчинникова Е. В., Тай За У. Широкополосные антенны телекоммуникационных систем с постоянной зоной покрытия. Труды 5-й международной молодежной научно-технической конференции «Современные проблемы радиотехники и телекоммуникаций РТ-2009», Севастополь, апрель 21-25,2009 г.

7. Д. И. Воскресенский, Е. В. Овчинникова, Тай За У. Антенны базовых станций третьего поколения. Труды 19-й международной конференции «СВЧ -техника и телекоммуникационные технологии », Севастополь, сентябрь 14-18,2009 г.

8. Овчинникова Е. В., Тай За У. Широкополосные антенны телекоммуникационных систем с постоянной зоной покрытия. «Информационно-измерительные и управляющие системы», 2009,(в печати).

Введение

1 АНТЕННЫ БАЗОВЫХ СТАНЦИЙ СИСТЕМ СОТОВОЙ 9 СВЯЗИ

1.1 Антенные решетки базовых станций сотовой связи первого и 13 второго поколения

1.2 Антенные решетки базовых станций сотовой связи третьего поколения

1.3 Смарт антенны

1.4 MIMO антенны

1.5 Конструкции и характеристики антенн базовых станций 42 сотовой связи, применяемых на практике

1.6 Выводы

2 РЕЗУЛЬТАТЫ ЧИСЛЕННЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ ШИРОКОПОЛОСНЫХ ИЗЛУЧАТЕЛЕЙ АНТЕННОЙ СИСТЕМЫ БАЗОВОЙ СТАНЦИИ СОТОВОЙ СВЯЗИ

2.1 Выбор типа излучателя

2.2 Методы моделирования и расчета излучателей на основе симметричных щелевых линии 2.3 Применение численных электродинамических методов для исследования характеристик направленности излучателя Вивальди с постоянной зоной покрытия в горизонтальной плоскости

2.4 Построение излучателя для базовой станции третьего поколения с сектором обзора 906°

2.5 Построение излучателя для базовой станции третьего поколения с сектором обзора 60о°

2.6 Построение излучателя для базовой станции третьего поколения с сектором обзора 45о°

2.7. Приближенные методы расчета антенн на основе симметричных щелевых линий

2.8 Выводы

3 ПОСТРОЕНИЕ АНТЕННОЙ СИСТЕМЫ БАЗОВОЙ ' 78 СТАНЦИИ СОТОВОЙ СВЯЗИ

3.1. Обоснование выбора формы диаграммы направленности 78 антенной системы базовой станции сотовой связи

3.2.Методы синтеза ДН антенной системы

3.3 .Сравнение методов синтеза антенной решетки по заданной диаграмме направленности

3.4. Упрощенная аппроксимация

3.5.Выводы

4 ПОСТРОЕНИЕ АНТЕННО-ФИДЕРНОЙ СИСТЕМЫ 86 БАЗОВОЙ СТАНЦИИ СОТОВОЙ СВЯЗИ ТРЕТЬЕГО ПОКОЛЕНИЯ

4.1. Требования к ДН станции в вертикальной плоскости

4.2.Упрощенный вариант АФУ базовой станции сотовой связи 87 третьего поколения.

4.3 Антенно-фидерная система базовой станции сотовой связи 90 третьего поколения с обработкой сигнала.

4.4. Выводы

Актуальность темы диссертации

В настоящее время появилось большое количество различных систем подвижной связи: сотовые системы для автомобилистов, системы персонального вызова, системы безшнурового телефона для локального использования. Поэтому возникла необходимость создания универсальной системы подвижной связи (UMTS) или 3G. В отличии от системы первого поколения (1G), рассчитанной на облуживание национальных границ и использующей аналоговую частотную модуляцию для передачи речи и системы второго поколения (2G), спроектированной с учетом роуминга и использующей цифровые устройства с программным управлением, универсальная система подвижной связи позволяет абоненту пользоваться услугами связи в неограниченной области пространства и иметь доступ к ним с помощью любого терминала на основе присвоенного ему персонального номера. Система подвижной связи третьего поколения 3G может включать в себя микроячейки для пешеходов, с радиусом обслуживания до 1 км, макроячейки для автомобилистов - до нескольких десятков км и гиперячейки до сотен и тысяч км для морских речных и воздушных судов, обслуживаемых спутниковой составляющей системы. Качественные характеристики универсальной системы подвижной связи третьего поколения в значительной степени определяются антенными устройствами базовых станций.

Необходимость существенного расширения функциональных возможностей систем подвижной связи диктует требования к характеристикам антенн. Этим и обусловлен поиск путей создания антенных систем базовых станций сотовой связи, отвечающим требованиям стандарта 3G. Цифровые универсальные системы подвижной связи должны поддерживать высокую скорость передачи данных (до 2 Мбит/с), быстрый доступ к сети Internet, возможность проведения видеоконференций.

Актуальность темы диссертации

В настоящее время появилось большое количество различных систем подвижной связи: сотовые системы для автомобилистов, системы персонального вызова, системы безшнурового телефона для локального использования. Поэтому возникла необходимость создания универсальной системы подвижной связи (UMTS) или 3G. В отличии от системы первого поколения (1G), рассчитанной на облуживание национальных границ и использующей аналоговую частотную модуляцию для передачи речи и системы второго поколения (2G), спроектированной с учетом роуминга и использующей цифровые устройства с программным управлением, универсальная система подвижной связи позволяет абоненту пользоваться услугами связи в неограниченной области пространства и иметь доступ к ним с помощью любого терминала на основе присвоенного ему персонального номера. Система подвижной связи третьего поколения 3G может включать в себя микроячейки для пешеходов, с радиусом обслуживания до 1 км, макроячейки для автомобилистов - до нескольких десятков км и гиперячейки до сотен и тысяч км для морских речных и воздушных судов, обслуживаемых спутниковой составляющей системы. Качественные характеристики универсальной системы подвижной связи третьего поколения в значительной степени определяются антенными устройствами базовых станций.

Необходимость существенного расширения функциональных возможностей систем подвижной связи диктует требования к характеристикам антенн. Этим и обусловлен поиск путей создания антенных систем базовых станций сотовой связи, отвечающим требованиям стандарта 3G. Цифровые универсальные системы подвижной связи должны поддерживать высокую скорость передачи данных (до 2 Мбит/с), быстрый доступ к сети Internet, возможность проведения видеоконференций.

Для выполнения этих функций необходимо создать антенны, работающие в трех частотных диапазонах стандарта Зв. Все это стимулирует появление на рынке серии антенн базовых станций сотовой связи с различными характеристиками. Разные условия распространения радиоволн в городе и сельской местности, рельефы местности и трафики загрузки, плотность размещения базовых станций и дальность действия одной соты — все эти факторы отражаются на характеристиках антенн: характеристиках направленности, поляризационных характеристиках, необходимом усилении и массогабаритных характеристиках. Для нашей страны с большой территорией играет значительную роль число базовых станций сотовой связи. Все вышеприведенное свидетельствует о значительном интересе к подобным антенным системам. Дальнейшее обеспечение надежности сотовой связи, устранение всякого рода помех, искажений, явлений эха и т.д., требует соответствующих изменений в характеристиках антенн базовых станций. В настоящее время осуществляется замена слабонаправленных антенн направленными антеннами, ФАР и адаптивными антенными решетками. Ведется поиск оптимальных поляризационных характеристик - замена вертикальной поляризации антенны базовой стации сотовой связи на круговую или две ортогональные линейные поляризации с различной ориентацией их в пространстве.

Отмеченное выше развитие систем сотовой связи с постепенным (из-за высокой стоимости) переходом на стандарт 30 приводит к созданию новых типов антенн базовых станций. Если на первых этапах развития систем сотовой связи антенны базовых станций были одного типа, то для третьего поколения следует иметь три и более типовых антенн. Переход на три рабочие диапазона частот требует поиска оптимальных решений построения антенн с изменяющимися в допустимых пределах характеристиками направленности и поляризационными характеристиками.

Из представленного многообразия серийно выпускаемых антенн трудно подобрать антенны обеспечивающие работу базовой станции стандарта ЗО, т.е. имеющие неизменные сектора обзора в горизонтальной плоскости 45, 60 и 90° на всех частотах трех диапазонов. Можно отметить также относительно высокую стоимость антенн базовых станций, выпускаемых серийно. Представляет интерес создание унифицированного ряда современных широкополосных антенн, позволяющих строить на их базе многолучевые антенные системы для создания равномерной освещенности по дальности зоны обслуживания и косекансных ДН.

С учетом вышеизложенного можно сформулировать основные цели и задачи диссертационной работы.

Цель и задачи работы

Целью диссертационной работы является исследование характеристик направленности и частотных свойств антенных систем базовых станций сотовой связи третьего поколения. В соответствии с поставленной целью в диссертационной работе решены следующие задачи:

- исследование направленных свойств и частотных характеристик широкополосных излучателей, обеспечивающих требуемое изменение характеристик направленности в зоне обслуживания пользователей

- разработка приближенных методик расчета диаграмм направленности широкополосных излучателей

- синтез ДН антенной решетки, обеспечивающий оптимальные характеристики направленности в зоне обслуживания пользователей

Методы исследования: численные методы электродинамики, теории антенн, численные методы математического анализа, численное моделирование характеристик широкополосных излучателей на ЭВМ.

Научная новизна работы 6 заключается в следующем:

- Определены конструкции излучателя, обеспечивающего допустимое изменение характеристик направленности в трех частотных диапазонах стандарта Зв

- Разработана методика расчета характеристик направленности излучателя

- Выполнен синтез характеристик направленности антенной системы базовой станции сотовой связи

Практическая значимость результатов работы

1. Разработаны три варианта широкополосных секторных антенн базовых станций третьего поколения, обеспечивающие допустимое изменение ширины луча в пределах±1дБ для перекрытия зон обслуживания в горизонтальной плоскости в секторах 45°, 60° и 90°.

2. Развиты приближенные методики и программа расчета характеристик направленности широкополосных излучателей

3. Показана возможность построения фазированных антенных решеток и адаптивных антенных систем на основе широкополосных излучателей

4. Предложены варианты построения антенных систем базовых станций сотовой связи третьего поколения

Основные положения, выносимые на защиту

- Характеристики широкополосных излучателей на основе симметричных щелевых линий и возможности применения их для построения антенных решеток базовых станций сотовой связи стандарта Зв

- Алгоритмы расчета широкополосных излучателей на основе симметричных щелевых линий

- Решение задач синтеза антенных систем базовых станций сотовой связи

Апробация результатов работы и публикации

Основные положения и результаты работы докладывались на 4 конференциях и опубликованы в 2-х статьях в журналах "Антенны" и "Информационно-измерительные и управляющие системы" и 6-и публикациях в форме тезисов к докладам.

Объем и структура работы

Диссертационная работа состоит из введения, 4-х глав, заключения, списка литературы. Работа содержит 105 страниц текста. Список литературы включает 66 наименований на 7 страницах.

4.4. Выводы

Определены требования к фидерной системе антенны базовой станции сотовой связи. Разработана схема построения распределительной системы при использовании одного широкополосного излучателя для покрытия зоны обслуживания в вертикальной плоскости. Определена структура системы возбуждения антенной решетки базовой станции сотовой связи при использовании цифрового диаграммообразования.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В диссертационной работе исследованы антенные системы базовых станций сотовой связи, рассмотрены возможные схемы возбуждения антенных решеток и предложена системы возбуждения а также выявлен ряд преимуществ для практического использования, связанных с расширением рабочей полосы, минимизацией числа элементов, уменьшением взаимного влияния элементов. В том числе получены следующие результаты:

1. Проведён обзор и анализ существующих антенн базовой станции 2-го поколения, даны некоторые сведения по антеннам для базовых станций 3-го поколения. В результате показаны целесообразность разработки новых антенн для базовой станции 3-го поколения, которые позволили бы существенно уменьшить общее число антенн, находящихся на одной башне. Обзор показывает целесообразность построения широкополосных излучателей для антенных решеток, многолучевых или адаптивных антенных систем сотовой связи 3-го поколения.

2. Путем параметрического синтеза с помощью численных методов электродинамики были проведены исследования влияния уголкового отражателя на характеристики направленности одиночного излучателя и решётки из двух излучателей при различном расположении излучателей и отражателя. В результате численных исследований были определены конструкции излучателей, имеющие хорошие массогабаритные характеристики и обеспечивающие допустимое изменение ширины луча в горизонтальной плоскости рабочих диапазонах частот базовой станции сотовой связи третьего поколения. Разработаны электродинамические модели широкополосных излучателей на основе симметричных щелевых линий. Исследованы характеристики направленности излучателей антенных систем базовых станций сотовой связи третьего поколения. Определены зависимости характеристик направленности от частоты, иллюстрирующие возможность работы излучателей в трех рабочих диапазонах базовых станций сотовой связи третьего поколения.

3. Рассмотрены оптимальные формы диаграмм направленности в вертикальной плоскости. Выполнен синтез восьмиэлементной антенной решетки двумя методами: методом парциальных диаграмм и методом Фурье. Показано, что синтезированная ДН косекансной формы при наличии 10%-ных фазовых ошибок обеспечивает более равномерное распределение поля, чем антенна с равномерным амплитудным распределением и фазовыми ошибками. Определены «слепые» зоны, возникающие при использовании антенны с равномерным амплитудным распределением.

4. Предложено построение антенн базовых станций осуществлять на основе широкополосных антенных решеток из излучателей Вивальди, совмещенных с уголковыми модифицированными рефлекторами.

5. Предложены варианты схемы построения антенных решёток для формирования диаграммы направленности в вертикальной плоскости. Применение цифровых методов обработки сигнала, принятых в системах сотовой связи, позволяет построить как ФАР, так и многолучевые адаптивные решётки для базовой станции на основе предложенных антенн.

6. Показаны схемы возбуждения излучателей базовых станций для различных вариантов при работе на трёх частотах.

7. Полученные результаты обсуждены, опубликованы в 2-х статьях и доложены на 4-х научно-технических конференциях.

1. Н. Holma and A. Toskala, WCDMA for UMTS: Radio Access for Third Generation Mobile Communications, Revised Edition, John Wiley & Sons, New York, 2001.

2. Антенные системы для базовых станций / Грибова И. // Радио.— 1997.—No 12. С. 60—61.—Рус.

3. Antenna arrangement system capable of reducing co-channel interference. Пат.5307507 США, МКИ H 04 В 7/100/ Kanai N. ; NEC Corp—No.63 6864; Заял ,28,12,90; Опубл. 26,4,94ю Прибор. 28,12,89, No.l 340305(Япония) ; НКИ 455/33,1

4. N.J. Boucher, The Cellular Radio Handbook: A Reference For Cellular System Operation, 4th edition, John Wiley & Sons, New York, 2001.

5. Base station antenna arrangement: Заявка 0593822 ЕПВ, МКИ . H01 Q 25/00/ Searle Jeffery Graham, Dean Stuart James, Broome Keith Roy, Chrystie Peter John, Cox Christopher Richard; Nothern Telecom Ltd.— No.923095202; Заявл. 19,10,92; Опубл. 27,4,94.

6. Анализ и оптимизация нового типа антенны с вертикальной поляризацией для базовой станции. Hou Xiao-hau, Xiong Bing, Jiao Youg-chang, Xian-diabzi Keji daxue xuebao=j. Xidian Univ.2001.28, No.6, c.751—754, 7ил, Библ.7 Kut.; рез.англ.

7. Анализ и оптимизация нового типа антенны с вертикальной поляризацией для базовой станции. Hou Xiao-hau, Xiong Bing, Jiao Youg-chang, Xian-diabzi Keji daxue xuebao=j. Xidian Univ.2001.28, No.6, c.751—754, 7ил, Библ.7 Kut.; рез.англ.

8. Antenna array assembly: Заявка 2312791 Великобритания, МКИ H 01.Q 1/52/ Smith A.D.; Northern Telecom Ltd.—No 96092655; Заяви.2.5.96; Опубл. 5.11.97; HKHHIQ.15 .http://www.3gnews.ru

9. Адаптивная антенная система. IMT—2000. Adaptive antenna array for 1МТ-2000/ Guo Y. Jay, Bedoya Martinez Mario.A., Austin Jahangir E. // Fujitsu = Fujitsu Syst. Sci.Rev 2000.—51, No-1.—C.66-72:--Англ.Яп.

10. Характеристика радиоканала для антенных систем типа «smart» Characterising the radio propagation channel for smart antenna systems. Ward C, Smith M, Jeffries A, Adams D, Hudson J. Electron and common Eng.J.1996.8,No.4C.191200AHra.

11. Stephanie L. Preston, David V. Thiel, Trevor A. Smith, Steven G. O'Keefe, Jun Wei Lu. Base-Station Tracking in Mobile Communications Using a Switched Parasitic Antenna Array. IEEE Antennas Propogat. Vol.46, No.6, June 1998, pp.841-844.

12. Антенна для базовой станции, обладающая двойной поляризацией.Ьазе^айоп antennas offer dual polarization I zadian Jamal S.Microwaves and RF.2002.41,No5,c.99-100,102-105,7ил.англ

13. Антенное устройство базовой станции сотовой системы радиосвязи.ВаБе station antenna arrangement: Заявка 2281175 Великобритания, МКИ Н 04 Q 7/36/ Dean. Stuart James; Nothern telecom Ltd. -No 93168292; Заявл. 12.8.93; Опубл. 22.2.95; НКИ H 4 L.

14. Широкополосная антенна с двумя ортогональными поляризациями для базовой станции. Low-cost X-polarised broadband PCS antenna with low cross polarization level./ Loffler.D., Wresbeck W.// Electron. Lett-1999. -35, No 20—c. 1689—1691.—англ.

15. Адаптивные АР для базовых станций. Adaptive base-station antenna arrays./ Demeryd Anders.27.http://www.caemc.ru28.http://www.net41ife.ru

16. J. Guterman, A.A. Moreira, C. Peixeiro,Microstrip fractal antennas for multistandard terminals, IEEE Antennas and Wireless Propagation Letters, vol.3, pp.351-354, 2004.

17. P. Ciais, R. Staraj, G. Kossiavas, C.Luxey, "Design of an internal Quadband antenna for mobile phones", IEEE Microwave and wireless component letter, vol.14, No.4, April 2004.

18. Marin Stoytchev,Hugo Safar, Aris L. Moustakas, Steve Simon. Compact antenna arrays for mimo applications. Lucent Technologies, Bell Laboratories, 700 Mountain Ave, Murray Hill, NJ, USA.

19. G. J. Foschini, M. Gans, "On Limits of Wireless Communications in a Fading Environment when Using Multiple Antennas," Wireless Personal Communications 6, 311-335 (1998).

20. S. Salous and N. Razavi-Ghods, "Semi-Sequential MIMO Channel Measurements in IndoorEnvironments," TD(04) 079, presented at COST273 meeting, Gothenburg, Sweden, 2004.

21. Alfred Grau, Jordi Romeu, Lluis Jofre and Franco De Flaviis. "On the polarization diversity gain using the ORIOL antenna in fading indoor environment" ДЕЕЕ APS 2005.

22. Y. Hara, A. Taira, and T. Sekiguchi, "Weight control scheme for MIMO system with multiple transmit and receive beamforming", in IEEE VTC 2003 Spring, Jeju, South Korea, 2003, vol. 2, pp. 823-827.

23. Y. Nakaya, T. Toda, S. Hara, and Y. Oishi, "An RF-adaptive array antenna incorporated in a MIMO receiver under interference", in IEEE VTC 2004 Spring, Milan, Italy, 2004, vol. 1, pp. 44-48.

24. Y. Nakaya, T. Toda, S. Hara, and Y. Oishi, "MIMO receiver usingan RF-adaptive array antenna with a novel control method", in Proc. ICC 2004, Paris, France, 2004.

25. Y. Nakaya, T. Toda, S. Hara, J. Takada, and Y. Oishi, "Array and diversity gains of an RF-AAA used on MIMO receiver", in 6th Int. Symp. Wirel. Pers. Multimed. Commun., Yokosuka, Kanagawa, Japan,2003.39.http://www.toko.com/passives/antennas/dac.asp

26. Сверхширокополосные антенны. Перев. с англ. под ред. JI. С. Бененсона. Изд-во «МИР», 1964.

27. Broadband dual polarized antenna arrays for mobile communication applications, Stefan Balling, Matthias Hein, Marko Hennhofer, Gerd

28. JI.A. Вайнштейн. Электромагнитные волны. М.: Радио и связь, 1988.-440с.

29. R.Janaswamy, and D.H. Shaubert. Dispersion characteristics for wide slotlines on low-permittivity substrates. IEEE Trans MTT, 1985,v. 33, pp. 723-726.

30. R.Janaswamy, and D.H. Shaubert. Characteristics impedance of a wide slotlines on low-permittivity substrates. IEEE Trans MTT, 1986,v. 34, pp. 900-902.

31. R.Janaswamy, and D.H. Shaubert. Analysis of the transverse electromagnetic mode linearly tapered slot antenna. Radio Science, 1986,v. 21, pp. 797-804.

32. RJanaswamy, and D.H. Shaubert. Analysis of the tapered slot antenna. IEEE Trans Antennas and Propagation, vol. 35, №9,September, 1987, pp. 1058-1064.

33. Гирич C.B., Пономарев И.Н. О широкополосных свойствах антенн на основе симметричных щелевых линий передачи. Электродинамика и техника СВЧ и КВЧ, 1993.-№3.- с. 19-23.

34. Пономарев И.Н. Проектирование антенн бегущей волны на расширяющихся щелевых линиях на основе теории неоднородных линий передачи. Электродинамика и техника СВЧ и КВЧ, 1998.-т.6.-№21.- с.84-103.

35. Д.И. Воскресенский, B.JI. Гостюхин, В.М. Максимов, Л.И. Пономарев. Антенны и устройства СВЧ. М.: МАИ 1999.

36. Устройства свч и антенны. Проектирование фар. Учебное пособие для вузов /д.и. Воскресенский, в.и. степаненко, b.c. Филиппов и др. Под ред. Д.и. Воскресенского. 3-е изд., доп. и перераб. -м.: Радиотехника, 2003.

37. Д.Л. Маттей, Л.Янг, М.Т.Джонс. Фильтры СВЧ, согласующие цепи и цепи связи. Пер. с англ. под общей ред. Л.В. Алексеева и Ф.В. Кушнира М.: «Связь», 1972. - 495с.