Курсовая работа (т): Методы выбора и расчета антенн для сотовых систем связи

Методы выбора и расчета антенн для сотовых систем связи

СОДЕРЖАНИЕ

ВВЕДЕНИЕ

1. Выбора антенн сотовых систем связи

.1 Виды и классификация антенн систем сотовой связи

.1.1 GSM антенны 900 МГц

.1.2 GSM антенны 1800 МГц

.1.3 3G антенны

.1.4 Wi-Fi антенны

.1.5 Двухдиапазонной антенны

.1.6 Внешние стационарные антенны

2. Методы расчета антенн для сотовых систем связи

2.1 MANA-GAL

2.2 Microsoft Visual Studio

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

ВВЕДЕНИЕ

В настоящее время в России, как и во всем мире, наблюдается бурное развитие систем радиосвязи. Это в первую очередь сотовая связь стандартов GSM, DAMPS, CDMA, транкинговая связь, беспроводной абонентский доступ (WLL) на основе систем DECT, TANGARA, системы беспроводной передачи данных(WLN). Пока ещё сохраняет свои позиции и радиосвязь на основе домашних радиотелефонов.

В настоящее время во многих станах ведется интенсивное внедрение сотовых сетей связи общего пользования. Такие сети предназначены для обеспечения подвижных и стационарных объектов телефонной связью и передачей данных. В сотовых сетях связи подвижными объектами являются либо наземные транспортные средства, либо непосредственно человек, находящийся в движении и имеющий портативную абонентскую станцию (подвижный абонент). Возможность передачи данных подвижному абоненту резко расширяет его возможности, поскольку кроме телефонных сообщений он может принимать телексные и факсимильные сообщения, различного рода графическую информацию (планы местности, графики движения и т.п.), медицинскую информацию и многое другое. Особое значение сотовые сети связи приобретают в связи с активным внедрением во все сферы человеческой деятельности персональных компьютеров, разнообразных баз данных, сетей ЭВМ. Доступ к ним через сотовые сети связи позволит подвижному абоненту оперативно и надежно получить необходимую информацию. Соответственно возрастет и роль систем связи, повысятся требования к качеству передачи информации, пропускной способности, надежности работы.

Антенно-фидерное устройство является одной из главных составляющих частей системы сотовой связи. Поэтому выбор антенны и место её расположения для сотовых систем связи является одной из важных задач при расчете и выборе системы сотовой связи. На сегодняшнее время применяются различные методы выбора и расчета антенн для систем сотовой связи.

Кроме того антенна - одна из основных составляющих системы по усилению сотового сигнала. Для решения задачи по улучшению приема сотовой связи используются две антенны - внешняя и внутренняя.

Внешняя антенна принимает и передаёт сигнал от станции сотового оператора до репитера. Внутренняя антенна распределяет сигнал к сотовым телефонам пользователей и обратно от трубок к репитеру. Ниже мы рассмотрим подробно методы выбора и расчета антенн сотовых систем связи.

1. Выбора антенн сотовых систем связи

.1 Виды и классификация антенн систем сотовой связи

Ознакомимся с основными типами антенн, с помощью которых в настоящее время осуществляется связь по каналам систем сотовой связи.

Антенны можно разделить на несколько подвидов:

GSM антенны 900 и 1800 МГц,

3G антенны,

Wi-Fi антенны,

двухдиапазонные, рассчитанные для приема сразу нескольких диапазонов одновременно.

Также антенны для сотовых систем связи разделяются на внешние и внутренние.

GSM антенны 900 МГц:

- Всенаправленные GSM 900 антенны <#"802172.files/image001.gif"> <#"802172.files/image002.gif"> <#"802172.files/image003.gif"> <#"802172.files/image004.gif"> <#"802172.files/image005.gif"> <#"802172.files/image006.gif"> <#"802172.files/image007.gif"> <#"802172.files/image008.gif"> <#"802172.files/image009.gif"> <#"802172.files/image010.gif"> <#"802172.files/image011.gif"> <#"802172.files/image012.gif"> <#"802172.files/image013.gif"> <#"802172.files/image014.gif"> <#"802172.files/image015.gif"> <#"802172.files/image016.gif"> <#"802172.files/image017.gif"> <#"802172.files/image018.gif"> <#"802172.files/image019.gif"> <#"802172.files/image020.gif">

Рис. 11. Внешний вид направленной двухдиапазонной антенны AL-800/2700-8

Основные параметры антенны:

Коэффициент усиления, дБ: 8

Разъём: N-type

Вес, кг: 0,3

Встроенный модем: нет

Антенна направленная частотного диапазона 900/GSM1800/3G/Wi-Max (800-960/1700-2700МГц) - хорошее согласование во всех сотовых диапазонах. Коэффициент усиления = 8 дБ. Легкая и прочная конструкция, герметичный корпус, удобное крепление.

Антенна направленная Exclusive 17P-M392.

Рис. 12. Внешний вид направленной двухдиапазонной антенны Exclusive 17P-M392.

Основные параметры антенны:

Диапазон, МГц: 1 900-2 700

Коэффициент усиления, дБ: 17

Разъём: Стандарт USB. Кабель 10 метров

Габаритные размеры, мм: 240х240х15

Вес, кг: 0,5

Встроенный модем: в отдельном, герметичном корпусе, с автоподогревом при температуре ниже -15. модель Huawei E392.

Направленная двухдиапазонная антенна разработана для сетей 3G и 4G LTE с универсальным модемом Huawei E392. С учетом высокого коэффициента усиления позволяет получать сигнал с удаленных БС (базовых станций). Модем располагается в герметичной коробке с датчиком температуры и системой подогрева. Модель комплектуется USB-проводом на 10 метров и адаптером питания для подогрева модема.

1.1.6 Внешние стационарные антенны

Все стационарные антенны можно разделить на два типа: направленные и ненаправленные. В качестве ненаправленных стационарных антенн в основном применяются полуволновые, коллинеарные и солинейные антенны.

Ненаправленные антенны по сравнению с направленными антеннами обладают, как правило, меньшим усилением и применяются в основном там, где возможен прием сигнала от нескольких базовых станций. По конструкции и характеристикам они очень похожи на автомобильные антенны.

Существует много типов направленных антенн, которые отличаются только конструктивным исполнением. В основном используются направленные антенны типа волновой канал, логопериодические и плоские печатные, Антенна типа волновой канал имеет больший коэффициент усиления и проста в изготовлении. Логопериодическая антенна имеет более сложную конструкцию при тех же габаритах, что и антенна типа "волновой канал".

Хотя логопериодическая антенна и имеет меньший коэффициент усиления, но она широкополоснее, что позволяет ее использовать в большем интервале радиочастот. Для сравнения приведем коэффициенты усиления наиболее распространенных внешних антенных для сотовых телефонов. Простая автомобильная антенна имеет усиление 1...3 дБ (1-2 кубика по шкале телефона), волновой канал - 7...15 дБ (в зависимости от количества элементов, качества сборки и настройки антенны), что составляет уже 2-3 кубика по шкале, а логопериодическая антенна - 7...12 дБ.

Антенны типа волновой канал.

В сотовой связи в качестве стационарных антенн получила широкое распространение антенна типа Уда-Яги (или "волновой канал"). Эта антенна имеет много разновидностей, которые различаются между собой числом элементов, плоскостями поляризации и конструкцией отдельных элементов. Антенна для сотовой связи имеет вертикальную поляризацию, и поэтому ее активные вибраторы, рефлекторы и директора устанавливаются вертикально. "Волновой канал" до настоящего времени является одной из лучших антенн для радиосвязи на УКВ, а также приема телевидения. Применение такой антенны позволяет значительно увеличить дальность действия сотового телефона, позволяя вести связь из мест значительно удаленных от зоны обслуживания вашего оператора.

Выбор внешней антенны производится, исходя из ее основных параметров: рабочий диапазон (frequency range); коэффициент усиления (gain); импеданс антенны (impedance); КСВ - коэффициент стоячей волны (VSWR).

Рабочий диапазон антенны должен соответствовать диапазону частот, в котором работает ваш сотовый телефон. Коэффициент усиления следует выбирать по возможности наибольший, импеданс антенны (волновое сопротивление) должен быть равен 50 Ом, а коэффициент стоячей волны - не превышать двух. Все вышеперечисленные параметры антенны обычно указываются в ее паспорте, а если такого нет, то необходимую информацию может дать продавец магазина. В продаже есть антенны с аналогичными радиотехническими характеристиками и других фирм, которые по стоимости меньше указанных выше типов антенн. Это объясняется их низкой механической надежностью и плохой коррозийной стойкостью. Заметим, что в Западной Европе отсутствуют зоны неуверенного приема, и поэтому направленных антенн для терминалов GSM-900 практически не выпускается

Внешний вид некоторых внешних(наружных) антенн сотовой связи представлен на рисунке 13.

Рис. 13. Внешние (наружные) антенны сотовой связи.

На рисунке13 представлен широкий выбор внешних антенн различных характеристик.

В первых конструкциях сотовых телефонов применялись телескопические антенны, а несколько позже - малогабаритные антенны. В сотовых телефонах можно встретить такие малогабаритные антенны: спиральные, вибраторные и низкопрофильные.

При соответствующем выборе параметров спиральной антенны она очень эффективна. Для портативных радиотелефонов используется режим ненаправленного излучения, который реализуется при диаметре спирали D значительно меньше длины волны. При этом в плоскости витков антенна равномерно излучает во всех направлениях, а в плоскости, совпадающей с осью спирали, диаграмма направленности имеет форму восьмерки.

Спиральные антенны представляют собой закрытую полимерной оболочкой спираль на диэлектрическом стержне. Существуют модели со спиралью, заключенной в резиновый корпус, "в гибком исполнении". Спиральные антенны имеют физическую длину /12 при четвертьволновой электрической длине. При дальнейшем уменьшении физической длины резко возрастают потери. Неудовлетворительная работа спиральной антенны в портативных радиотелефонах в диапазоне частот 800...900 МГц привела к тому, что разработчики усложнили ее, добившись выигрыша по сравнению с одиночной спиралью. Усложненная спиральная антенна состоит из двух спиралей: первичной, жестко установленной на корпусе, длиной приблизительно 2 см и вторичной, длиной приблизительно 10 см, которая размещена внутри корпуса радиотелефона. В выдвинутом состоянии вторичная спираль становится основным излучателем.

В современных аппаратах антенны выполнены в виде короткого стационарного штыря, который установлен внутри корпуса, и его почти не видно. Изменение конструкции применяемых антенн связано, в первую очередь, с ростом рабочей частоты, а также требованиями удобства их эксплуатации. Уменьшение размеров корпуса и соответственно размеров антенны приводит, как правило, к уменьшению эффективности ее работы во время передачи и приема. Поэтому применение небольших по размерам сотовых телефонов оправдано только там, где сотовая сеть мобильной связи достаточно развита и имеет мощные базовые станции.

Опыт показывает, что в большинстве случаев лучшая антенна - стандартная. При необходимости имеет смысл приобретать стационарную или автомобильную антенну. Стационарная направленная антенна устанавливается на улице так же, как телевизионная, и направляется на ближайшую базовую станцию. Такие антенны используют для улучшения качества связи в зданиях и подвальных помещениях, а также для обеспечения связью вне зоны приема в пригороде.

В сотовой связи классическую полуволновую антенну, не зависящую от потерь в ближней зоне, как правило, используют в качестве выносной антенны. В большей части современных мобильных телефонов используются четвертьволновые вибраторы разных форм, в которых сама конструкция аппарата служит для антенны нижней частью излучающей структуры - как бы противовесом. Измеренная плотность потока излучения мобильного телефона может составлять несколько десятков процентов от номинальной мощности и зависит от того, как расположена рука пользователя с аппаратом у уха (рабочее положение аппарата).

Операторы обычно используют ограничение дальности работы мобильного телефона от базовой станции до 35 км, что обусловлено особенностями стандарта. Если в сети стандартной конфигурации в одном частотном канале формируется 8 временных интервалов (тайм-слотов): один служебный, а семь - разговорных, то в этом случае максимальная дальность связи на каждом канале составляет 35 км. В GSM можно пользоваться и нестандартной конфигурацией соты. В этом случае дальность связи увеличивается до 70... 100 км (конфигурация Extended Cell), а емкость сети уменьшается до 2-3 каналов.

На дальность радиосвязи, как известно, влияют такие факторы: Местоположение BS и MS и рельеф местности. Мощность и чувствительность сотового телефона (MS). Мощность и чувствительность базовой сотовой станции (BS). Антенны, установленные на MS и BS. Время года и погодные условия.

Обычно базовые станции имеют мощность 20...30 Вт. Антенны применяются либо штыревые, либо направленные. Чувствительность базовых станций составляет минус (100... 115) дБ, в то время как выходная мощность телефона составляет 0,3...2 Вт, а чувствительность - минус (90...105) дБ. Чувствительность телефона в основном определяется технологиями, используемыми при создании малошумящих входных устройств.

Если в зонах уверенного приема разница в чувствительности и мощности между различными моделями сотовых телефонов практически незаметна, то в зоне неуверенного приема она может стать критической. Зачастую трубка показывает уровень сигнала от базовой станции 1-2 кубика (по шкале), а установить соединение не может: не хватает мощности. И хотя стандартизация ETSI регламентирует стандартные выходные мощности для каждого класса телефонов, реальное значение может незначительно колебаться. Хорошей чувствительностью отличаются трубки Sagem, Alcatel, Motorola. А по мощности проходят все старые телефоны, особенно Motorola. Все телефоны фазы 2 имеют примерно одинаковую мощность.

Во время установки сеанса радиосвязи следует учитывать, что радиоволны распространяются лучше на ровной местности и по поверхности реки, в то время как в лесу прохождение волн хуже, чем в городе. Радиосигнал распространяется или принимается лучше, если вы находитесь на высоте, господствующей над окружающей местностью. Бывает так, что во время сеанса связи вас слышат хорошо, в то время как собеседник время от времени пропадает. Для исправления ситуации следует заменить ваш телефон на аппарат с большей чувствительностью. Если же вы находитесь на таком расстоянии от базовой станции, что телефон ловит сигнал сети на пределе или нестабильно, то для улучшения радиосвязи следует попробовать подключить к телефону внешнюю антенну.

В зонах неуверенного приема между каналами с одинаковыми и соседними частотами часто наблюдаются интерференционные помехи. Это связано с ограниченностью частотного ресурса, выделенного операторам GSM-900. И в связи с этим, в зоне неуверенного приема часто фиксируются сигналы от разных базовых станций, имеющие одинаковые или соседние значения частоты сигнала.

Такие сигналы создают взаимные помехи, мешающие связи, а при определенных уровнях сигналов связь становится и вовсе невозможной. Если на экране телефона фиксируется сильный сигнал от базовой станции, а установить соединение не удается или удается, но речь все время пропадает, значит, вы столкнулись с "чужаками". В такой ситуации телефон не всегда способен выбрать другую частоту, поэтому если у вас телефон Nokia, то можно попытаться воспользоваться функцией "NetMonitor". При отсутствии в телефоне функции NetMonitor следует применить внешнюю направленную антенну с хорошей диаграммой направленности.