Антенные системы базовых станций сотовой связи третьего поколения тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.12.07, кандидат технических наук Тей, За У

• Тей, За У
• кандидат технических наук
• 2009

Оглавление диссертации кандидат технических наук Тей, За У

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

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Антенные системы базовых станций сотовой связи третьего поколения»

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.

Заключение диссертации по теме «Антенны, СВЧ устройства и их технологии», Тей, За У

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.

Список литературы диссертационного исследования кандидат технических наук Тей, За У, 2009 год

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.