В рубрику "Спутниковая связь" | К списку рубрик | К списку авторов | К списку публикаций
В настоящее время сканирующие антенные решетки (АР) широко применяются как в радиолокационной технике, так и в системах связи. Применение сканирующих АР в системах связи имеет свои особенности. Наиболее проблемными вопросами для применения АР в наземных системах связи является обеспечение заданного уровня огибающей боковых лепестков и достижение приемлемых ценовых показателей. Одной из перспективных областей для применения АР со сканированием луча являются сотовые системы 4G/5G. Например, задача сканирующей АР в составе базовой станции – обеспечить оптимизацию распределения ее емкости в зоне обслуживания в зависимости от трафика, генерируемого для абонентов и абонентами.
В ряде случаев секторные антенны базовых станций для оптимизации зоны обслуживания и минимизации помех от соседних базовых станций механически (см. рис. 1) устанавливаются таким образом, чтобы направление максимума излучения их диаграммы направленности (ДН) составляло отрицательный угол с горизонтом (угол зависит от высоты подвеса антенны и обычно не превышает 15 град., [1]). Однако в процессе эксплуатации может оказаться, что этот угол целесообразно изменить или создать условия для его оптимизации в зависимости от складывающегося в данный момент времени распределения абонентов.
Кроме того, существуют требования СанПиН в санитарной зоне. Выполнение этих требований также может быть связано с регулированием направления максимального излучения и минимизацией уровня боковых лепестков.
В данной работе рассматривается возможность электронного сканирования диаграммой направленности секторной антенны при обеспечении низкого уровня боковых лепестков, оговоренного в [1], за счет специального подбора распределения положения излучателей. По сути, за счет неэквидистантности линейной решетки появляется дополнительный инструмент полезного воздействия на ее направленные свойства.
Как известно [2, 3, 4, 5], в линейных АР (см. рис. 2) обычно применяется линейная фазовая функция поля возбуждения излучателей решетки, сканирующей в заданном секторе углов.
Для реализации линейной фазы излучателей применяются дискретные фазовращатели. Фазовращатели характеризуются собственными потерями, величина которых оказывает влияние на энергетический потенциал системы в целом. Чем больше наклон линейной фазовой функции, тем больше разрядов фазовращателей потребуется для реализации. Увеличение разрядности фазовращателей приводит к увеличению собственных потерь в них. По этой причине целесообразно применять схемы АР с малым наклоном фазовой функции. Как будет показано ниже, уменьшить наклон фазовой функции возможно, если сокращать (до определенного предела) расстояния между излучателями АР.
Сектор угла сканирования Θс АР связан с наклоном Δφ линейной фазовой функции и расстоянием d / λ (λ -длина волны) между центрами излучателями соотношением (1) [1]
На рис. 3 приведен график Θс в зависимости от Δφ при разных значениях d/λ
Из (1), в частности, следует, что чем меньше d / λ, тем шире сектор сканирования при фиксированном наклоне Δψ фазовой функции. Это обстоятельство целесообразно учитывать в сканирующих АР, где разность фаз между крайними излучателями в решетке (производная фазовой функции) может оказаться значительной, что может привести к снижению качества антенны (из-за потерь в многоразрядных фазовращателях).
В то же время существуют два обстоятельства, ограничивающие минимальное расстояние между излучателями в АР:
Кроме того, выбором d / λ можно обеспечить минимальный уровень бокового излучения АР. Это особенно важно для антенн, применяемых в системах связи. Требованию минимизации бокового излучения удовлетворяют неэквидистантные АР [7, 8, 9, 10], для которых реализация линейной фазовой функции имеет особенности.
В то же время для d / λ существует и ограничение "сверху". Из условия существования одного главного максимума ДН в области действительных углов расстояние между излучателями выбирается из условия d1 < λ/ (1 + sin Θс) для АР с излучателями в узлах квадратной сетки и из условия d1 <λ / (1 + sin Θс)), d2 < 2 3 λ / (1 + sin Θс)для АР с излучателями в узлах треугольной сетки. Стандартное значение d/λ = 0,5[11].
На рис. 4 приведены ДН линейной АР, рассчитанные по формулам (2, 3) для двух значений d /λ = 0,15 и 0,5. АР размером L /λ = 4,5 и усилением 9,5 дБ, сканирует в секторе углов 0 < Θс < 3 0 град. (угол сканирования здесь равен 5 8о, гдеΘо - полуширина луча ДН АР).
где fи(Θ) - диаграмма излучателя, выбрана равной cos Θ,
Fn(Θ) - множитель решетки имеет вид
где k = 2π / n , dn - расстояния между центрами излучателей решетки (см. рис. 1), Θ - направление на точку наблюдения, N - число излучателей АР.
Расчеты сделаны в предположении отсутствия взаимодействия между излучателями в АР.
Как следует из рис. 4, чем меньше d/λ, тем меньший требуется наклон Δφ фазовой функции для сканирования в секторе углов 30 град. (см. также рис. 3).
На рис. 5 приведены ДН для неэквидистантной АР с низким (< - 30 дБ) уровнем боковых лепестков (см. рис. 5а) и ДН этой АР, сканирующей в секторе углов 30 град. (см. рис. 5б). При расчете учтена особенность реализации линейной фазовой функции.
Сравнение результатов рис. 4 и рис. 5 показывает, что низкий уровень первых боковых лепестков в неэквидистантной АР сохраняется и при сканировании (разница с обычной АР составляет примерно 15 дБ).
Потери усиления антенны при сканировании на угол Θс = 30 град., как видно на рис. 4, 5, составляют 1,25 дБ, что соответствует уменьшению направленности излучателя при Θ= 30 град. и диаграмме направленности излучателя cos Θ.
Похожая ситуация - для угла сканирования Θс = 60 град., за исключением потерь усиления, которые в этом случае очевидно составляют 6 дБ.
Литература
Опубликовано: Журнал "Технологии и средства связи" #5, 2017
Посещений: 4424
Автор
| |||
В рубрику "Спутниковая связь" | К списку рубрик | К списку авторов | К списку публикаций
