Разработка антенн для базовых станций подвижной радиосвязи и защитных экранов тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.12.07, кандидат технических наук Буликов, Евгений Николаевич

• Буликов, Евгений Николаевич
• кандидат технических наук
• 2006

Оглавление диссертации кандидат технических наук Буликов, Евгений Николаевич

Введение.

Глава 1. Задача об электромагнитном возбуждении металлических тел и ее численное решение.

1.1. Общие соотношения.

1.2. Компьютерная программа для расчета электродинамических характеристик антенн.

Глава 2. Антенны базовых приемопередающих станций подвижной радиосвязи.

2.1. Общие требования к антеннам базовых станций.

2.2. Способ устранения интерференционных нулей диаграммы направленности антенной решетки.

2.3. Сверхширокополосные антенны для базовых станций.

2.3.1. Особенности логопериодических антенн.

2.3.2. Методы электродинамического анализа и компьютерное моделирование ЛПВА.

2.3.3. Компланарные (Е - плоскостные) решетки из ЛПВА.

Глава 3. Защитные экраны.

3.1. Передающие радиотехнические объекты и электромагнитная безопасность.

3.2. Решение электродинамической задачи о рассеянии электромагнитной волны на тонких проводниках.

3.2.1. Обоснование приближенной модели для тонкого проводника.

3.2.2. Рассеяние на тонком проводнике.

3.2.3. Рассеяние электромагнитной волны на системе тонких проводников

3.2.4. Особенности вычислительного алгоритма.

3.3. Результаты электродинамического анализа защитных экранов из пассивных вибраторов.

3.4. Экспериментальное исследование защитного экрана.

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Разработка антенн для базовых станций подвижной радиосвязи и защитных экранов»

Развитие систем подвижной (в первую очередь, сотовой) радиосвязи ставит перед разработчиками антенно-фидерных устройств ряд задач, среди которых отметим следующие:

- разработка антенн приемо-передающих базовых станций с улучшенными радиотехническими характеристиками;

- разработка экранов для защиты от излучения, создаваемого передающими антеннами.

Этим вопросам и посвящена данная диссертационная работа.

Актуальность темы. Антенны базовых станций размещаются на высотных сооружениях и предназначены для радиосвязи с подвижными абонентами, находящимися в пределах заданной территории. Как правило, радиосвязь осуществляется в дециметровом диапазоне радиоволн. Основные требования к радиотехническим параметрам таких антенн заключаются в следующем: достаточная широкополосность, необходимая для обеспечения большого числа частотных каналов; наличие диаграммы направленности заданной формы [1], [2].

В этом направлении антенной техники значительный вклад принадлежит российским ученым, в первую очередь, сотрудникам НИИ Радио (Москва), НИИДАР (Москва), МТУСИ (Москва), СОНИИР (Самара), разработавшим и внедрившим немало эффективных и надежных вариантов антенно-фидерных устройств для профессиональной подвижной радиосвязи.

Научно-исследовательские работы, выполненные в последние годы в русле данной тематики можно разделить на следующие направления.

Разработка коллинеарных антенн с повышенным коэффициентом усиления [3]. Оптимизация геометрии рефлектора панельных антенн с целью приблизить диаграмму направленности к секторной форме [4]. Определение влияния элементов конструкции опорного сооружения на параметры антенн [5]. Определение взаимного влияния антенн, расположенных на общем опорном сооружении [6]. Разработка многодиапазонных антенн [7].

Серьезной проблемой, возникающей при развитии сетей сотовой связи, является увеличение плотности абонентов в больших городах и ограниченность частотного ресурса. В связи с этим возникла концепция построения систем сотовой связи третьего поколения. Предполагается использование в базовых станциях так называемых интеллектуальных антенных систем, основанных на применении адаптивных решеток. Такие системы адаптируют ДН так, что главный луч направляется на ведущего переговоры мобильного абонента, тем самым реализуется пространственное уплотнение каналов и одновременно уменьшается уровень соканальных помех. Примером отечественной разработки такого типа является двухдиапазонная многолучевая антенная решетка с плоской геометрией [8].

Отметим также работу [9], где приведены результаты разработки плоской решетки из полосковых излучателей, возбуждаемых распределительным устройством так, что в горизонтальной плоскости формируется ДН секторного типа с крутыми склонами или многолучевой режим.

Весьма перспективной является разработка антенных решеток с кольцевой геометрией, построенных на принципе схемно-пространственной мультип-лексии, позволяющих формировать ДН в горизонтальной плоскости как всена-правленного, так и секторного типа [10].

Из отечественных производителей оборудования для транкинговой связи отметим компанию «Радиал» [11].

В то же время следует отметить, что развитие сетей сотовой связи в России происходит в значительной мере на основе зарубежных технологий и с использованием оборудования, произведенного зарубежными фирмами. Лидирующее положение на Российском рынке занимает продукция германской компании KATHREN [12]. Число выпускаемой этой фирмой различных моделей всенаправленных антенн достигает 40, а панельных антенн - 200.

Однако условия России требуют подчас специфического подхода, например, для обслуживания обширных малонаселенных районов сельской местности не рационально создавать большое число близко расположенных базовых станций, как это принято на Западе. Ясно, что в этом случае целесообразно создавать базовые станции с максимальной дальностью связи, а, поскольку мощности передатчиков ограничены, необходимо применять антенны с большим коэффициентом усиления и с ориентацией главного максимума диаграммы направленности на линию горизонта. Используемые в настоящее время антенно-фидерные устройства не удовлетворяют в полной мере необходимым требованиям, например, панельные антенны с высоким коэффициентом усиления, выполняемые в виде вертикально ориентированных антенных решеток, имеют недостатки: диаграмма направленности в вертикальной плоскости имеет направления нулевого излучения, что приводит к появлению зон неуверенного приема.

В технике подвижной радиосвязи хорошо известно явление замирания сигнала, вызванное многолучевым распространением радиоволн, возникающим вследствие отражений от земли, зданий и других объектов. Для борьбы с этим явлением применяют разнесенный прием: обычно на базовых станциях размещают две (или более) разнесенные антенны, сигналы которых после детектирования суммируются [1]. Здесь, говоря о недостатках известных антенн, мы имеем в виду другое явление: наличие нулей в диаграмме направленности, неизбежное для антенных решеток, возбуждаемых стандартным образом. Ясно, что указанный метод разнесенного приема не устраняет эти нули диаграммы направленности. Для решения этой проблемы обычно используют небольшую расфазировку излучателей, однако, судя по каталогам ведущих кампаний-производителей антенн для базовых станций сотовой связи [7], [12], устранить все нули не удается.

В настоящей работе предложен простой метод возбуждения антенной решетки, позволяющий устранить все нули диаграммы направленности [И],[15].

Еще одна проблема вызвана тем, что в России действуют системы сотовой связи шести различных стандартов, а это приводит к необходимости использовать на базовых станциях антенны, рассчитанные на различные диапазоны частот. Наличие на одном опорном сооружении нескольких антенн усложняет конструкцию и порождает проблемы электромагнитной совместимости. По этой причине в последнее время находят применение двух и трех диапазонные антенны с диапазонами, соответственно, 900/1800 МГц и 900/1800/2000 МГц.

На наш взгляд, представляет практический интерес антенна, позволяющая без каких-либо дополнительных настроек и переключений перекрыть все используемые диапазоны рабочих частот (800-2000 МГц). Такая антенна может обеспечить передачу (прием) сигналов нескольких приемопередатчиков, расположенных у поверхности земли и подключенных к общему фидеру. Перспективы развития сотовой связи, в том числе освоение видеоканала, также вызывают потребность в сверхширокополосных антеннах. При проектировании таких систем мы будем основываться на работах В.А. Яцкевича, посвященных лого-периодическим антеннам [19],[20],[22],[27].

Характерной чертой развития сотовой радиосвязи в настоящее время является стремительное увеличение числа базовых станций, что порождает проблемы электромагнитной безопасности человека, а также проблемы защиты электронной аппаратуры от воздействия электромагнитных полей. В России действуют довольно жесткие санитарные нормы для радиоизлучения СВЧ -диапазона. Чтобы удовлетворить этим нормам, приходится снижать мощность передатчика, уменьшая тем самым, зону обслуживания. По этой причине, в ряде случаев необходимы дополнительные средства защиты, например, экраны, которые способны снизить уровень электромагнитного поля на рабочих местах персонала радиоцентров. Однако экраны как средства биологической защиты в настоящее время используются редко, несмотря на то, что технология производства легкой металлизированной ткани, непрозрачной для радиоволн дециметрового диапазона, давно освоена. Дело в том, что практически трудно создать экран больших размеров или экран в виде поверхности, замкнутой вокруг рабочего места, а в противном случае явление дифракции радиоволн делает экран малоэффективным.

В данной работе исследуются защитные экраны в виде решетки из тонких металлических стержней, предназначенные для снижения амплитуды падающей электромагнитной волны до требуемого уровня в некоторой заданной зоне и в некоторой полосе частот [37],[38],[39].

В последние годы появилось немало работ, посвященных электродинамическому анализу экранов (рефлекторов), выполненных в виде решеток с частотно-избирательными свойствами, иногда содержащих управляемые элементы [40-43]. Такие экраны находят применение для уменьшения радиолокационной заметности объектов или для усовершенствования зеркальных антенн. Обычно для анализа таких систем решается задача дифракции плоской волны на бесконечной периодической структуре, в результате находится коэффициент отражения (или прохождения) для поля, рассеянного в дальней зоне. В отличие от указанных работ, здесь рассмотрены экраны конечных размеров, причем поле рассчитывается вблизи экрана.

Целью диссертационной работы является:

- исследование и разработка сверхширокополосной антенны, способной перекрывать все используемые операторами сотовой связи диапазоны частот (800-2000 МГц), и при этом обладающей узкой диаграммой направленности в вертикальной плоскости при отсутствии направлений нулевого излучения;

- исследование и разработка удобного в эксплуатации экрана небольших размеров, предназначенного для уменьшения интенсивности радиоволн на рабочих местах персонала радиоцентров.

Научная новизна работы состоит в следующем:

- предложен способ возбуждения антенной решетки, позволяющий устранить все направления нулевого излучения (интерференционные нули) в зоне обслуживания при незначительном снижении коэффициента направленного действия;

- предложена и исследована решетка из логопериодических антенн, предназначенная для базовых станций подвижной радиосвязи.

- на основе численного решения задачи дифракции радиоволн на решетке из резонансных элементов, исследован эффект «дальнего экранирования», заключающийся в том, что зона с уменьшенным уровнем поля находится вдали от решетки.

Практическая ценность полученных в работе результатов заключается в следующем:

- предложена антенна, применение которой в базовых станциях будет способствовать расширению сетей сотовой связи на обширные малонаселенные территории России;

- создана компьютерная программа для электродинамического расчета и оптимизации параметров защитного экрана;

- разработан защитный экран, предназначенный для уменьшения интенсивности радиоволн на рабочих местах персонала радиоцентров.

Внедрение результатов работы:

- разработанная компьютерная программа для цветовой визуализации электромагнитного поля используется в учебном процессе (в компьютерном лабораторном практикуме по курсу «Электромагнитные волны и их применение в медицине») для студентов Вологодского государственного технического университета, обучающихся по специальности «Инженерное дело в медико-биологической практике»;

- эскизная документация на изготовление разработанного в диссертационной работе защитного экрана передана Федеральному государственному унитарному предприятию: «Российская телевизионная и радиовещательная сеть», филиал «Вологодский областной радиотелевизионный передающий центр»;

- документация на изготовление разработанной в диссертационной работе широкополосной решетки для базовой станции и документация на изготовление защитного экрана передана ЗАО «Вологодская сотовая связь».

Достоверность результатов подтверждена сравнением с известными в литературе данными, а также близостью полученных в работе теоретических и экспериментальных данных.

Апробация работы. Основные результаты диссертационной работы докладывались и обсуждались на региональных и международных конференциях.

- Областная научно-техническая конференция «Вузовская наука - региону», Вологда, май 2000 г.;

- IV международный симпозиум по электромагнитной совместимости и электромагнитной экологии (ЭМС-2001), Санкт-Петербург, Россия, июнь 19-22, 2001 г.;

- региональная научно-методическая конференция «Современная физика и техника в вузе и школе», Вологда, 2004 г.;

- 12-ая Международная конференции «СВЧ-техника и телекоммуникационные технологии», Севастополь, Крым, Украина, 9-13 сентября 2002 г.;

- IV Международная конференция по теории и технике антенн (МКТТА'03), Севастополь, Украина, сентябрь 9-12, 2003 г.

Публикации. По теме диссертации опубликовано 7 работ [14,31,37,38,39,51,55], получен патент на изобретение [15].

Основные положения и результаты, выносимые на защиту.

1. Способ возбуждения антенной решетки, позволяющий устранить все интерференционные нули диаграммы направленности в зоне обслуживания.

2. Схема широкополосной решетки для базовой станции, позволяющая обслуживать все стандарты сотовой радиосвязи и численное исследование этой решетки.

3. Результаты численного и экспериментального исследования защитного экрана, работающего в режиме «дальнего экранирования».

Структура диссертации. Текст работы содержит введение, три главы, заключение, список литературы из 55 наименований и четыре приложения. Общий объем работы 126 страниц.

Заключение диссертации по теме «Антенны, СВЧ устройства и их технологии», Буликов, Евгений Николаевич

Основные результаты данной работы заключаются в следующем.

1. Предложен и исследован способ возбуждения линейной антенной решетки, позволяющий устранить все интерференционные нули диаграммы направленности в зоне обслуживания при незначительном снижении КНД.

2. На основе компьютерного моделирования показана возможность создания антенны в виде Е-плоскостной решетки из ЛПВА, способной поддерживать все используемые в России стандарты сотовой связи.

3. Рассмотрена задача о падении электромагнитной волны на систему тонких проводников, выбран метод численного решения, создана компьютерная программа, осуществляющая цветовую визуализацию электромагнитного поля.

4. Рассмотрены экраны в виде плоской решетки из металлических стержней (или полосок) и на основе созданной программы установлены свойства таких экранов, в частности, показано, что за счет выбора периода решетки и длины стержней можно реализовать режим дальнего экранирования, когда зона с низким уровнем электромагнитного поля находится вдали от экрана.

Удаленность зоны экранирования от экрана, так же, как и уменьшенная металлоемкость, является практическим преимуществом таких экранов при их использовании для биологической защиты.

5. Создан макет экрана и проведены измерения интенсивности поля, которые подтвердили результаты расчетов. Результаты теоретического и экспериментального исследования показали, что экраны данного типа можно использовать как средства электромагнитной защиты рабочих мест, расположенных вблизи передающих антенн.

Заключение

Список литературы диссертационного исследования кандидат технических наук Буликов, Евгений Николаевич, 2006 год

1. Системы мобильной связи / В.П. Ипатов, В.К. Орлов, И.М. Самойлов,

2. B.Н. Смирнов; под ред. В.П. Ипатова. М.: Горячая линия -Телеком, 2003, - 272 с.

3. Алехин Ю.Н., Лазарева Е.В. Антенно-фидерные устройства для базовых станций сотовой и подвижной связи // Мобильные системы. 2002. - №3. -С. 28-34.

4. Патент №2211511 (Россия). Антенна для подвижной связи/ В.А. Велегу-ра. Опубл. 27.08.2003

5. Патент №2185696 (Россия). Уголковая антенна/ В.А.Калошин. Опубл. 20.07.2002

6. Ерохин Г.А., Петровский А.А., Гайнутдинов Т.А Анализ ближнего поля панельных антенн систем подвижной радиосвязи // Антенны. 2001. -№7(53). - С.27-30.

7. Петровский А.А. Гайнутдинов Т.А. Анализ взаимного влияния панельных антенн базовых станций систем сотовой связи // Антенны. 2002. - №8-9,1. C.56.

8. Andrew corporation's base station antennas Electronic resource.: catalog. -http://www.decibelproducts.com.

9. Прилуцкий А.А. Интеллектуальная антенна для сотовых сетей 3-го поколения //Антенны. 2005. - №10 (101). - С.52-54.

10. Бузов А.Л. Антенные решетки схемно-пространственной мультиплексии как альтернатива секторным антеннам подвижной радиосвязи // Антенны. -2003.-№9(76).-С. 8-13.

11. Базовое антенно-фидерное оборудование. Каталог ООО «Фирма «Ради-ал»». 2001.

12. Kathrein antennas for mobile communications Electronic resource.: CD, ed. 2004. © Kathrein Antenne Electronic.

13. Бузов A.JT. УКВ антенны для радиосвязи с подвижными объектами, радиовещания и телевидения. М.: Радио и связь, 1997. -293 с.

14. Yatskevcich V., Bulikov Ye. Method of eliminating interference noughts of radiation pattern of base station antenna array // IV-th International Conf. on Antenna Theory and Techniques (ICATT-2003), 9-12 September. Sevastopol. -2003.-P. 310.

15. Патент №2265928 (Россия). Способ возбуждения антенны базовой станции подвижной радиосвязи/ Е.Н. Буликов, В.А. Яцкевич. Опубл. 10.12.2005

16. Воскресенский Д.И. Антенны с обработкой сигнала. М.: Сайн-пресс, 2002. - 80 с.

17. Сазонов Д. М. Антенны и устройства СВЧ. М.: Высш. шк., 1988. - 432 с.

18. Гончаренко И.В. Компьютерное моделирование антенн. М.: ИП Радио Софт, 2002. - 80 с.

19. Вериго Б.А., Полухин Г.А., Ушаков Ю.С., Яцкевич В.А. Широкодиапазонные фазированные решётки из логопериодических вибраторных антенн // Сб. научно-методических статей по прикладной электродинамике. -М.: Высшая школа, 1980.-вып. 4.-С. 95-132.

20. Яцкевич В.А. Теоретическое исследование и разработка сверхширокополосных антенн на основе численных методов электродинамики // Автореферат диссертации на соискание ученой степени доктора технических наук. М.: МЭИ, 1995. - 32 с.

21. Dubrovka F.F., Litvyn М.М., Litvyn S.M. et all. Ultrawideband log-periodic dipole antenna arrays for the frequency range 0.7-12GHz // 5-th International Conf. on Antenna Theory and Techniques (ICATT-2005), 24-27 May. Kyiv. -2005.-P. 110-115.

22. Яцкевич В.А. Логопериодические антенны. Вологда: изд-во «Русь», 1994.-98 с.

23. Петров Б.М., Костромитин Г.И., Горемыкин Е.В. Логопериодические вибраторные антенны: Уч. пособие для вузов. М. Горячая линия - Телеком, 2005. - 239 с.

24. Isbell D.E. Log-periodic dipole arrays // IRE Trans, on Antennas and Propagation. 1960. - vol. AP- 8, № 3. - P. 260-267.

25. Кэррел P.Л. Расчёт логопериодических вибраторных антенн // Сверхширокополосные антенны: Пер. с англ. М.: Мир, 1964. - С. 296-319.

26. Peixeiro С. Design of log-periodic dipole antennas // IEE Proc. 1988. - vol. 135, Pt. H, № 2. - P. 98-102.

27. Яцкевич B.A., Александров B.C. Проектирование логопериодических антенн // Антенны. 2005. - №7-8 (98-99), С.3-12.

28. Коротковолновые антенны / Г.З. Айзенберг, С.П. Белоусов, Э.М. Журбен-ко и др.; Под ред. Г. 3. Айзенберга. М.: Радио и связь, 1985.

29. Гончаренко И.В. Антенны KB и УКВ. Часть 1. Компьютерное моделирование. MM ANA. М.: ИП Радио Софт, журнал "Радио", 2004. - 125 с.

30. Antenna Engineering Handbook // Chapter 14 (Frequency independent antennas), edited by J. Jasik. New York. - 1984. - P. 14.24-14.44.

31. Balmain K.G., Nkeng I.N. Assimetry phenomenon of log-periodic dipole antennas // IEEE Trans. 1976. - vol. AP-24, N4. - P. 402-410.

32. Санитарные правила и нормы № 2.2.4/2.1.8.055-96. Электромагнитные излучения радиочастотного диапазона. М.: Госкомсанэпидемнадзор России, 1996.

33. Трубицын А.В. Электромагнитное поле и безопасность жизнедеятельности. М.: МИРЭА, 1996. - 66 с.

34. Вяхирев Н.И., Яцкевич В.А. Электродинамический анализ рефлектора из металлической сетки. // Изв. вузов. Радиоэлектроника. 1981. - Т. 24, №2. -С. 109-112.

35. Ямпольский В.П., Фролов О.П. Антенны и ЭМС. М.: Радио и связь, 1983.-272 с.

36. Яцкевич В.А., Буликов Е.Н. Экраны для защиты от электромагнитных волн СВЧ диапазона. //Тр. 4-го Межд. симпозиума по электромагнитной совместимости (ЭМС-2001). СПб.: ЛЭТИ, 2001. С.451-454.

37. Яцкевич В.А., Буликов Е.Н. Компьютерное моделирование пассивных решеток из вибраторов // Научные труды физико-математического факультета. Вологда, ВГПУ: изд-во «Русь», 2001. - С.81-83.

38. Яцкевич В.А., Буликов Е.Н., Зеленин С.А. Защитные свойства плоских сетчатых экранов // Радиотехника и электроника. 2004. - Т.49, №11. -С. 1332-1337.

39. Кисель В.Н., Федоренко А.И., Кисель Н.Н. Моделирование экранов с управляемой прозрачностью // Антенны. 2003. - №6 (73). - С. 23-27.

40. Михайлов Г.Д., Сергеев В.И., Соломин Э.А., Воронов В.А. Частотно-селективные структуры // Зарубежная радиоэлектроника. 1994. - №4-5. -С.54.

41. Касьянов А.О., Обуховец В.А. Частотно-избирательные поверхности. Основные области применения // Антенны. 2005. - №9 (100). - С.4-12.

42. Рассеяние электромагнитных волн антеннами и антенными решетками. Сборник научных трудов МАИ / Под ред. Бакулева П.А. М.: Издательство МАИ, 1992.-210 с.

43. Марков Г.Т., Петров Б.М., Грудинская Г.П. Электродинамика и распространение радиоволн. М.: Сов. радио, 1969. - 376 с.

44. Яцкевич В.А., Каршакевич С.Ф. Устойчивость процесса сходимости численного решения в электродинамике // Изв. вузов. Радиоэлектроника. -1981. Т.24, №2. - С.66-72.

45. Бузов A.JI., Юдин В.В. Современные методы электродинамического анализа проволочных антенн. Проблемы, решения, заблуждения // Антенны. -2003. -№1 (68).-С. 8-13.

46. Янке Е., Эмде Ф., Леш Ф. Специальные функции. М.: Наука, 1997. -344 с.

47. Вычислительные методы в электродинамике: Пер. с англ. / Под. ред. И.Л. Бурнштейна. М.: Мир, 1977. - 485с.

48. Марков Г.Т., Сазонов Д.М. Антенны. М.: Энергия, 1975. - 528 с.

49. Бриккер A.M., Зернов Н.В., Мартынев Т.Е., Шкиль В.М. Рассеяние электромагнитных волн вибраторной антенной при произвольных углах падения. // Радиотехника и электроника. 1998. - т.43, №5. - С. 574-578.

50. Яцкевич В.А., Буликов Е.Н. Оптимизация антенно-фидерного устройства базовой станции подвижной радиосвязи // СВЧ техника и телекоммуникационные технологии: Материалы 12-ой международной Крымской конференции. Севастополь, 2002. - С. 362-363.

51. Стрижков В.А. Особенности численной реализации метода моментов при решении интегральных уравнений тонких проводников // Радиотехника и электроника. 1988. - Т. 33, №5. - С. 961-965.

52. Кюрчкан А.Г. Анютин А.П. О корректности задач дифракции, сводящихся к интегральным уравнениям с гладким ядром // Радиотехника и электроника. 2006. - Т. 51, № 1. - С.54-57.

53. Домаков А.И., Хвастунов С.А., Яцкевич В.А. Электромагнитная экология: учебное пособие для вузов. Вологда: ВГПУ, 2003. - 80с.

54. Яцкевич В.А., Буликов Е.Н., Прахов В.Г. Широкополосная панельная антенна // Антенны. 2006. -№12(115), С.34-39.