В рубрику "Подвижная связь" | К списку рубрик | К списку авторов | К списку публикаций
Е.Я. Слодкевич, генеральный директор ООО "Фирма "Радиал"
Профессиональная мобильная радиосвязь основана на работе одного или целой сети ретрансляторов. При этом ретрансляторы могут быть как одноканальными, так и многоканальными. Вопросы автоматического управления каналами, осуществляемого в транкинговых системах, в данной статье мы рассматривать не будем. А вот схему построения цепей от выхода передатчика до эфира и от эфира до входа в приемник изучим внимательно.
Обычно для увеличения дальности действия ретрансляторов их антенны устанавливают на высоких объектах - мачтах РТПЦ, трубах ТЭЦ, вершинах гор, высотных зданиях и т.п. Поэтому в подобных местах плотность передающих радиосредств достаточно высокая и электромагнитная ситуация не всегда благополучная. Но больше всего работоспособность ретрансляторов зависит от влияния собственных передатчиков на свои же приемники. Что же мешает полноценной работе приемника и реализации его полной чувствительности?
Как известно, ретранслятор работает в дуплексном режиме: его приемник и передатчик работают одновременно. При этом передатчик производит несущий сигнал с достаточно высокой мощностью, а также побочные шумы. Нередко этого оказывается достаточно, чтобы подавить в приемнике ретранслятора слабый полезный сигнал, идущий от абонентской станции. Поэтому передающие и приемные цепи необходимо всегда снабжать дополнительными фильтровыми устройствами, чтобы ограничить влияние всех мешающих сигналов. Именно поэтому расшифровка аббревиатуры АФУ -"антенно-фильтровые устройства", по нашему мнению, более отвечает действительности, нежели устаревший, но зафиксированный стандартом термин "антенно-фидерные устройства".
Построение антенной системы
Основные требования
Антенная система должна отвечать некоторым основным требованиям. Во-первых, это должная высота установки, которая определяет главным образом дальность действия радиостанций; во-вторых, должная диаграмма направленности и коэффициент усиления антенной системы. В 90% случаев антенна должна иметь круговую диаграмму направленности (ДН) в горизонтальной плоскости при высоком усилении. А так как установка антенн производится в большинстве случаев на опоры башенного типа, имеющие немалый периметр и загораживающие от излучения во все стороны, то приходится строить антенные решетки из нескольких излучателей. Конечно, идеально круговой ДН при этом не получается, и тем не менее существует несколько способов сгладить ее неравномерность.
Третьим важным параметром является развязка между приемными и передающими антеннами. Обычно многоканальные ретрансляторы строятся с разнесенными приемной и передающей антенной. А к тому же при осуществлении разнесенного приема приемных антенн ставят две. Как правило, развязка между ними должна составлять не менее 40 дБ. Обеспечить это можно только физическим разносом -установкой на большом расстоянии друг от друга. В профессиональных каталогах по антеннам и литературе можно найти таблицы зависимости развязки антенн от их физического разноса.
Типы антенн
По своим параметрам антенны базовых станций (ретрансляторов) можно разделить на антенны с усилением и без усиления (относительно полуволнового диполя). Конечно, обычно стараются применять антенны с усилением для увеличения зоны действия ретранслятора. Ввиду того что достичь усиления антенны с круговой диаграммой направленности можно только одним методом, а именно сжатием ее ДН в вертикальной плоскости, то антенны делают коллинеарного типа. Коллинеарными называются антенные решетки из нескольких элементов, находящихся строго друг под другом на одной оси (рис. 1а и 1б).
Коллинеарные антенны, в свою очередь, разделяются по типу питания на последовательные (см. рис. 1а) и параллельные (см. рис. 1б). Первые обладают таким положительным свойством, как идеальность круговой диаграммы направленности. Поэтому есть смысл устанавливать их, когда существует возможность крепить антенну на верхушке объекта (мачты), и ничто сбоку не будет загораживать антенну и искажать ее ДН. Отрицательным свойством является частотное сканирование ДН в вертикальной плоскости и вследствие этого потеря усиления на низких частотах. Поэтому такие антенны производят на узкие частотные поддиапазоны, где точно гарантируется заявленное усиление. Хорошее согласование с антенной не является здесь классифицирующим параметром, поскольку, как правило, обеспечивается в более широком диапазоне частот.
Коллинеарные антенны, построенные на принципе параллельного сложения элементов, не имеют частотного сканирования и очень широкополосны. Однако влияние кабеля и мачты искажает ДН такой антенны. Применять их есть смысл в тех случаях, когда установка происходит на теле большой башни или на здании сбоку, однако направление минимального сигнала все равно будет затенено.
Кроме антенн с круговой ДН иногда также применяют направленные антенны, которые используют для построения кольцевых антенных решеток на башнях большого сечения или для секторирования зон облучения, как в сотовой связи. Конструктивно такие антенны бывают панельного типа, где под пластиковым чехлом скрывается сложная система диполей или полосковых излучателей над металлическим экраном, который служит задней стенкой корпуса антенны.
Пример построения антенно-фидерного тракта
Рассмотрим целиком весь антенно-фидерный тракт на примере решетки из двух антенн, установленных на башне сечением 4 м (рис. 2). Здесь антенны установлены на противоположных ребрах башни с целью ослабления взаимного пространственного влияния и пересечения ДН.
Антенны собираются на мачтах-стойках, которые крепятся непосредственно к ребру башни. Горизонтальные выносы должны обеспечивать строго вертикальное положение оси антенн даже на башнях пирамидального типа с наклонными ребрами. Если не выполнить это условие, то максимум излучения будет направлен вверх, что сильно ухудшит энергетику системы. Для обеспечения юстировки применяют специальные механизмы. Каждая стойка должна быть заземлена на "массу" мачты. Антенны объединяются с помощью джамперов - отрезков гибкого кабеля, проложенных горизонтально вдоль балкона и подключенных к делителю мощности. В свою очередь делитель тоже заземлен на мачту. Суммарная диаграмма направленности такой системы рассчитывается из суммы диаграмм каждой половины.
Организация фидерного тракта
Рассмотрим организацию фидерной линии (рис. 3)
Фидерная линия
Основной фидер, идущий вдоль всей башни, выполняют из коаксиального кабеля большого диаметра, например 7/8". Для снижения собственных потерь такой кабель изготавливают с применением полувоздушного диэлектрика из вспененного полиэтилена. Внешний и внутренний проводники выполняются из высококачественной электротехнической меди с минимальным поверхностным сопротивлением (более подробно о конструкциях фидеров в АФУ для систем ПМР см. статью Б.В. Пермякова в этом номере. - Прим. ред.).
По всей длине фидер необходимо заземлять на мачту с помощью зазем-лителей и герметизировать эти места, а также места разъемных соединений. Заземлять следует не только наружный, но и внутренний проводник. Иначе при ударе молнии в башню токи, наведенные на несущие металлические конструкции, возбуждают магнитный импульс, который, в свою очередь, создает электрический потенциал на центральной жиле фидера. Для предупреждения повреждения аппаратуры этим импульсом применяют грозоразрядники. Грозоразряд-ники бывают газовые, обладающие большой широкополосностью, либо четвертьволновые замкнутые шлейфы. Последние более узкополосны, но надежнее благодаря физическому контакту по постоянному току центральной жилы на "землю".
Для удобства технического обслуживания базовые стойки подключают к грозоразрядникам через короткие джамперы из более тонкого и гибкого кабеля.
Особое внимание следует уделять типу и качеству разъемов, а также аккуратности их заделки. Как правило, многие беды в радиосвязи при всей сложности оборудования вызваны элементарной безалаберностью при распайке разъемов. Следует отказываться от разъемов низкого качества и не экономить на этих ответственных, хотя, казалось бы, и простых элементах радиотракта. Плохой прижим по экрану или некачественная пайка центрального контакта порой снижает дальность связи на несколько десятков километров.
Устройства частотной селекции. Дуплексные фильтры
Если антенно-фидерный тракт тщательно смонтирован и обладает незначительными потерями (в районе 3-4 дБ), антенны установлены правильно, заземлены и имеют низкий КСВ (коэффициент стоячей волны), а разъемные соединения загерметизированы и имеют минимальный коэффициент интермодуляции, то можно считать, что полдела сделано. После этого начинается самое интересное -разработка фильтровой схемы антен-но-фидерного тракта. Ведь для качественного приема необходимо обеспечить высокую чувствительность приемника. Речь идет о том, что требуется создать условия для приема полезного сигнала, а не шумов и несущих передатчиков и их совместных порождений - интермодуляций.
Для обеспечения этих условий необходимо выполнить две задачи:
Избирательность приемных устройств самих ретрансляторов не так уж велика. Их входные контуры построены на обычных LC-элементах либо очень редко - в дорогих моделях -на спиральных резонаторах. Поэтому приходится применять более избирательные фильтровые устройства, которые строятся на высокодобротных коаксиальных резонаторах (рис. 4). Такие фильтры способны снизить уровень внеполосных сигналов, находящийся в нескольких сотнях килогерц на десятки децибел. Поэтому для выполнения первой задачи такие фильтры устанавливают в антенной цепи передатчика, где несущая с минимальными затуханиями проходит фильтр, а побочные излучения передатчика не пропускаются фильтром в антенну. Вторую задачу - предотвращение попадания сигнала несущей в приемник -решают фильтры в цепи приемника, которые пропускают полезный сигнал абонента и отражают наводимые сигналы рядом стоящего передатчика.
Классическое построение предусматривает установку двух разнесенных антенн, имеющих между собой развязку более 30 дБ благодаря физическому разносу. Если добавить в цепь каждой антенны фильтр, имеющий запирающие свойства на противоположной (парной) частоте около 50 дБ, то дуплексный режим ретранслятора будет обеспечен - ведь суммарная развязка будет уже 80 дБ.
Очень часто применяют схемы включения ретранслятора на одну антенну через дуплексный фильтр (ду-плексер) (рис. 5). Ведь антенне совершенно все равно: принимать или передавать, направление сигнала для нее безразлично. Этим-то и пользуются в дуплексных схемах, подключая к одной антенне через один фидер одновременно приемник и передатчик ретранслятора. Тогда каждый сигнал пойдет по своему пути - тому, где ему будет минимальное сопротивление. В общей же точке двух фильтров кабели подобраны так, что для противоположных частот прохождению сигнала будет мешать бесконечно высокое сопротивление цепи утечки (рис. 6).
Существует несколько типов дуплексных фильтров. Наиболее распространенный - полосно-режектор-ный. Его АЧХ имеет два экстремума: один на частоте пропускания с минимальными потерями, другой - режек-торный - с максимальными затуханиями на противоположной частоте. Если выполнить дуплексер на таких фильтрах на коаксиальных резонаторах, то достаточно будет двух "банок" в каждом плече для обеспечения необходимой развязки между приемником и передатчиком в 75 дБ.
Однако в современных условиях все чаще приходится применять дуплексеры на полосовых фильтрах, поскольку системы связи имеют по нескольку каналов приема и передачи. Для равномерного пропускания всех каналов требуется создать фильтр со "столообразной" характеристикой. Поскольку режектор-ные фильтры, как правило, очень узкополосные, то применять их не имеется возможности в случаях, когда необходимо обеспечить полосу режекции несколько сотен килогерц. Также полосовые фильтры всегда полезны в условиях установки с повышенной насыщенностью радиоэлектронными средствами.
Имея в наличии резонаторы с различными характеристиками, можно комбинировать их
в составе дуплексера и получать самые разные АЧХ, необходимые для различных условий установки.
Построение приемного тракта
Если в многоканальной системе следовать от порта дуплексера по приемному тракту (рис. 7) к приемникам, то мы встретим еще наверняка дополнительный преселектор, который особенно необходим в случае применения полосно-режекторного дуплексера. В этом случае преселектор добавляет избирательности всему приемному тракту и защищает от недостаточной развязки от соседних передатчиков.
МШУ (малошумящий усилитель) - следующий элемент приемной цепи. Он необходим всегда, если используется приемная распределительная панель. Панель делит приемный сигнал на несколько портов. Если в системе используется 4 приемника, то и распредпанель должна иметь как минимум четыре выходных порта. А как известно, деление сигнала на 4 вносит потери в 6 дБ - их-то и восстанавливает МШУ. Обычно усиление устанавливают на 4-5 дБ выше, чем коэффициент деления.
Основное требование к МШУ следует из самого названия: его собственные шумы должны быть минимальны. Кроме того, МШУ должен иметь высокий уровень линейности. Даже при высоких уровнях входного сигнала он должен продолжать работать без порождения интермодуляционных продуктов и не допускать блокирования.
Распредпанель служит для подключения нескольких приемников к одному порту. Казалось бы, чего проще -взять все приемники и подключить их через обычный делитель 1:4. Однако такой метод сильно снизит работоспособность системы. Ведь на входе у каждого приемника так или иначе присутствуют сигналы гетеродина. И если их связать через антенные разъемы вместе, то получится отличный синтезатор сигналов.
Во избежание этого необходимо, чтобы порты всех приемников не влияли друг на друга, то есть были развязаны не менее чем на 20 дБ. Такое требование можно удовлетворить, используя классический делитель на основе схемы Вилкинсона. Его порты имеют развязку около 30 дБ в полосе, достаточной для построения приемного распределителя. Применяют делители на 2, 4, 8, 16, 32. Если остаются свободные порты, то их необходимо заглушать 50-ом-ными согласованными нагрузками.
Построение передающего тракта
Мы рассмотрели приемный тракт многоканальной системы. Теперь посмотрим, что происходит в передающем тракте. Ведь несколько передатчиков, так же как и приемники, нельзя объединить обычным сумматором. Необходимо, чтобы полезный сигнал шел в антенну, а не в соседний передатчик. Это значит, что требуется устройство, с помощью которого мощность будет направляться только в одну сторону. Такие устройства называются передающими комбайнерами, бывают они двух видов: гибридные и резонаторные.
Первые строятся
на принципе фазового сложения сигнала, на гибридных мостах. Они способны складывать любые близкие частоты, но имеют одну неприятную особенность. В антенну отдают ровно половину складываемого сигнала. Вторая половина бесполезно уходит в нагрузку и греет окружающее пространство.
Резонаторные комбайнеры основаны на резонансном методе. Это два или несколько высокодобротных резонаторов, объединенных в одной общей точке. Сигнал идет только через свой резонатор, настроенный на собственную частоту. В другие же резонаторы пойдет сильно ослабленный сигнал, обычно -14 дБ или меньше. А все потому, что соседняя "банка" будет иметь на другой частоте практически короткое замыкание. По принципу четвертьволнового трансформатора это сопротивление преобразуется в бесконечно высокое, и сигнал туда не идет. Ни гибридные мосты, ни резонаторные банки не способны обеспечить необходимой развязки в 70 дБ между передатчиками. Поэтому в комбайнерах обоих типов применяют еще один вид развязывающих устройств - фер-ритовые вентили, представляющие собой как бы клапаны для высокочастотных сигналов. Сигнал свободно проходит в одном направлении, но обратно в передатчик путь ему закрыт. В комбайнерах, как правило, применяют двойные вентили. Они обеспечивают защиту от проникновения обратного сигнала на 70 дБ.
Вслед за комбайнером, особенно гибридным, обязательно надо ставить дополнительные фильтры. Ведь в его составе нет вообще никаких фильтровых устройств. А это значит, что все шумы передатчиков могут беспрепятственно проникнуть на вход приемника. Конечно, физическая развязка между антеннами или фильтровые свойства резонаторных комбайнеров улучшат ситуацию, но без хорошего дуплексера или выходного фильтра все равно не обойтись.
Учитывая то, что все фильтрующие элементы высокочастотного тракта являются очень высокодобротными устройствами, их нельзя объединять без взаимного согласования и настройки, уповая на их "пятидесятиомность". Для их входного сопротивления характерен разброс активного и наличие реактивного сопротивления. Поэтому при запуске системы всегда приходится ее подстраивать, изменяя коэффициент связи и длину межблочных кабелей.
Особенности АФУ абонентских станций
Помимо базового оборудования следует уделить внимание еще и антеннам абонентских терминалов - стационарных или мобильных.
На стационарных объектах часто не обращают внимания на полосу пропускания антенны, гонясь за ее усилением. Однако написанная в рекламном проспекте цифра является, как правило, максимальным значением, и из этого ни в коем случае не следует, что она одинаково сохраняется на частотах приема и передачи, особенно при большом разносе.
Мобильные радиостанции в большинстве случаев снабжаются четвертьволновыми антеннами или 5/8-вол-новыми штыревыми излучателями. Описать ошибки, которые допускают пользователи при установке на местах, просто не хватит целого журнала. Приходится видеть антенны, установленные на пластиковых поверхностях. Между тем антенна - это не только "блестящий штырек", крыша автомобиля тоже относится к антенне! Кто-то обрезает штырь, чтоб машина проехала в гараж, - таким "пользователям" неизвестно, что такое резонансная длина антенны. В далеком карельском поселке пришлось даже наблюдать антенну, аккуратно проложенную вдоль металлической стойки внутри салона патрульной машины.
Очевидно, неграмотное построение АФУ абонентских станций сказывается на качестве радиосвязи самым пагубным образом.
Заключение
Качество проектирования, изготовления и монтажа АФУ существенно влияет на качество связи, зону радиопокрытия, электромагнитную совместимость, стоимость системы ПМР в целом. Разработка и проектирование антенно-фидерного тракта подразумевает наличие специальных знаний в области антенн и устройств СВЧ. Работы в данной области следует доверять профессионалам.
Опубликовано: Журнал "Технологии и средства связи" #2, 2006
Посещений: 27130
Статьи по теме
Автор
| |||
В рубрику "Подвижная связь" | К списку рубрик | К списку авторов | К списку публикаций
