Антенны для телерадиовещания и базовых станций систем подвижной связи.

К антеннам телерадиовещательных центров и базовых станций систем подвижной связи предъявляются во многом аналогичные требования. Для увеличения зоны обслуживания они устанавливаются на специальных вышках или крышах высотных зданий. При этом увеличиваются механические нагрузки, создаваемые ветром и осадками, что повышает требования к механической прочности антенн. Значительная вероятность попадания молний обуславливает необходимость обеспечения высокой электрической прочности и использования специальных защитных мер.

Как правило, передающие центры и базовые станции располагаются в центрах обслуживаемых территорий, поэтому их антенны не должны иметь направленности в горизонтальной плоскости. В тех же случаях, когда передатчик располагается на краю территории, возникает необходимость в секторных по азимуту диаграммах направленности антенн с низким уровнем задних и боковых лепестков. Ширина сектора, при этом, достаточно большая и обычно составляет 30°¸ 180°. В вертикальной плоскости, в свою очередь, диаграмма направленности должна быть такой, чтобы уровень поля вблизи передатчика не превышал допустимого предела и был сравнительно постоянным на обслуживаемой территории. Исходя из этого, антенны должны иметь высокую направленность в вертикальной плоскости. Максимум излучения направлен горизонтально или, при большой высоте фазового центра, смещен на несколько градусов в сторону земной поверхности.

Поляризационные характеристики таких антенн зависят от принятой в конкретной системе поляризации поля. Общим для них является то, что круговая поляризация практически не находит применения. Данный факт объясняется тем, что использование сравнительно сложных антенн с круговой поляризацией в сетях с большим числом абонентов не оправданно ни по затратам, ни по достижимому эффекту. В диапазонах частот 50¸ 200 Мгц, выделенных в большинстве стран мира для телевизионного вещания в метровом диапазоне, основная доля помех имеет преимущественно вертикальную составляющую электрического поля. По данной причине для телевизионного вещания используется линейная горизонтальная поляризация. Такую же поляризацию используют для высококачественного УКВ ЧМ радиовещания в диапазоне 70 МГц, при этом часто используют антенны одинаковых конструкций. В свою очередь, на транспортных средствах удобнее эксплуатировать вертикальные вибраторные антенны, поэтому в большинстве профессиональных систем подвижной связи и радиовещания ФМ на частотах около 100 МГц применяется вертикальная поляризация поля, хотя в последнем случае иногда допускается и горизонтальная. В сотовой связи стандарта GSM для увеличения плотности сети используется поляризационная развязка каналов. Антенна базовой станции, при этом, должна излучать на двух ортогональных поляризациях. При малых размерах абонентских устройств и произвольным их расположением в пространственных координатах используются линейные наклонные поляризации с углом к поверхности земли ±45° или вертикальная и горизонтальная, соответственно.

Антенны телерадиовещания и базовых станций должны быть достаточно широкополосными, чтобы пропускать без искажений требуемую полосу сигналов. Особенно высокие требования предъявляются к телевизионным антеннам, которые должны быть согласованы в полосе телевизионного канала с КБВ выше 0, 95 для исключения эффекта «фидерного эха». Он проявляется в виде «многоконтурности» изображения из-за наложения отраженных от входов антенны и передатчика сигналов. В стандарте, принятом в Российской Федерации, полоса телевизионного канала и относительная рабочая полоса наиболее низкочастотного первого метрового канала () 15%, что налагает особые требования к выбору конструкции антенны. Достаточно высокие требования предъявляются и к частотным характеристикам антенн базовых станций. Так в стандарте GSM используется две частотных полосы по 25 МГц на прием и передачу разнесенных на 20 МГц. Общая полоса для стандарта GSM-900 равна 70 МГц, что составляет 7, 6 %.

Учитывая диапазоны частот и широкополосность, для питания антенн телерадиовещания и базовых станций обычно используют коаксиальные линии передачи. При этом, для антенн телевизионного вещания, где используются мощности до нескольких десятков кВт, а длина фидера составляет 200 м и более, чаще применяют коаксиальный волновод с шайбовой или на металлических изоляторах изоляцией. Антенны базовых станций или радиовещательные питаются коаксиальным кабелем со сплошной или пенисто-полиэтиленовой изоляцией, так как длина фидера чаще всего не превышает 100 м, а мощности 1 кВт. Волновое сопротивление фидера обычно выбирают 50 Ом исходя из максимума электрической прочности и пропускаемой мощности.

Коаксиальная линия, использующаяся на волне Т-типа, имеет структуру поля, приведенную на рис 4.1. Волновое сопротивление определяется по известной формуле

= ln = lg (4.1)

где - относительная диэлектрическая проницаемость заполнения. Электрическое поле в поперечном сечении линии распределено неравномерно. Максимум напряженности поля, как видно по густоте силовых линий на рис.4.1, находится на поверхности центрального проводника. Амплитуда поля в максимуме определяется соотношением:

Е_max= , (4.2)

где Р – мощность в коаксиале.

Рис. 4.1 Структура поля коаксиальной линии на волне типа –Т

Из формулы 4.2 можно получить оптимальное соотношение между D и d, при котором пропускаемая мощность Р будет максимальной. Оно определяется как D/d=e=2, 72 при воздушном заполнении ( =1). Подставив это значение в формулу 4.1, получим оптимальное волновое сопротивление 60 Ом.

Другим фактором, определяющим соотношение диаметров, является вероятность пробоя коаксиала из-за превышения разности потенциалов между проводниками критического значения. Он дает оптимальное соотношение D/d=1, 65, что соответствует =30 Ом. Исходя из этого, в качестве стандартного, для кабелей используемых для передачи больших уровней мощности (в том числе и для питания передающих антенн), выбрано волновое сопротивление 50 Ом.

При проектировании питающего коаксиала необходимо обеспечить Е_max=0, 1¸ 0, 3Е_пр, где Е_пр – напряжение пробоя диэлектрика, заполняющего коаксиал. Значения Е_пр для проводников, часто применяемых в коаксиальных линиях передачи и кабелях, приведены в таблице 4.1.

Диэлектрики				Плотность, [г/см3]
Воздух t=200C р=1 атм. Воздух t=200C р=1, 5 атм Полиэтилен Полиэтилен вспененный Фторопласт - 4	1, 000576 1, 000850 2, 3 1, 3 2, 1	10-8 10-8 5·10-4 1, 1 2·10-4	3, 2 4, 8 20, 0 10 30, 0	1, 3·10-3 1, 3·10-3 0, 92 0, 35 1, 85

Помимо электрической прочности и пропускаемой мощности важнейшей характеристикой линии передачи является затухание. Для коаксиальной линии затухание определяется двумя факторами: потерями на нагрев проводников из-за не бесконечной их проводимости и потерями в диэлектрике из-за наличия в них токов проводимости. Обычно эти потери считают взаимно независимыми, и коэффициент затухания записывается в виде суммы a=a_М+a_Д, где a_М – коэффициент затухания в металле, а a_Д – коэффициент затухания в диэлектрике.

Для частот выше 5 МГц коэффициент затухания можно рассчитать по формуле:

= , (4.3)

где f частота в Гц; d₁=d – диаметр центрального проводника, d₂=D – диаметр внешнего проводника, заданные в мм; - относительная диэлектрическая проницаемость диэлектрика; - тангенс угла потерь диэлектрика; - относительные магнитные проницаемости проводников; σ ₁, σ ₂ -удельные проводимости проводников в Сим/м.

Если оба проводника медные (, σ ₁=σ ₂=5, 7´ 10⁷ Сим/м) из формулы (4.3) получим:

,

. (4.4)

Как видно из формул 4.3, уменьшить затухание можно не только путем увеличения размеров D и d или применением проводников с максимальными удельными проводимостями, но и подбирая соотношение диаметров. Оптимум этого соотношения зависит от диэлектрической проницаемости диэлектрика. При воздушном заполнении ( =1) (D/d)_ОПТ=3, 6, что соответствует волновому сопротивлению 75 Ом. При увеличении до 2, 0¸ 2, 5 (фторопласт, полиэтилен) оптимальное волновое сопротивление уменьшается до 60¸ 55 Ом (см. формулу 4.1). Исходя из сказанного следует, что если получение малого затухания является решающим фактором, то следуем применять коаксиал с воздушно-пластмассовой изоляцией (диэлектрические шайбы, кордель, баллонная и др.). Волновое сопротивление, при этом, должно быть равно 75 Ом. Оно выбрано в качестве стандартного для магистральных кабелей связи.

Антенны метрового диапазона устанавливаются на самом верху телевизионной башни. Для уменьшения ветровой нагрузки и увеличения механической прочности при сохранении электрических характеристик вибраторы выполняют не сплошными, а из отдельных горизонтальных стержней. Учитывая высокие требования к широкополосности, антенны выполняют в виде турникетных на основе плоскостных (вибраторов Брауде) или Ж-образных, эскизы которых приведены на рис.4.2.

Рис. 4.2 Турникетные излучатели

Каждый этаж такой антенны выполняется из двух взаимно перпендикулярных вибраторов, питаемых со сдвигом фаз p/2, что обеспечивает практически круговую диаграмму направленности в горизонтальной плоскости.

Главным недостатком турникетных антенн является требование малого диаметра опоры по сравнению с размерами плеч – . При разносе плеч из-за увеличения сечения не удается получить равномерную диаграмму направленности в горизонтальной плоскости. Малый диаметр стойки опоры ограничивает её длину 10¸ 15 м, так как дальнейшее увеличение приведет к ветровому раскачиванию, а это, в свою очередь, к смещению диаграммы направленности в вертикальной плоскости. На указанной длине не удается разместить большего числа этажей антенны, что не позволяет получить узкую в вертикальной плоскости диаграмму направленности и, соответственно, коэффициента усиления больше 3¸ 10 (по сравнению с полуволновым вибратором).

В верхней части метрового телевизионного диапазона (с VI по XII каналы, частоты с 174 по 230 МГц) используются панельные излучатели одиночные или сдвоенные (рис.4.3). Они располагаются по сторонам опоры квадратного сечения или в виде правильного многоугольника. Для получения круговой в горизонтальной плоскости диаграммы направленности вибраторы питаются синфазно. Используя достаточное число этажей можно получить усиление до 20¸ 50 по сравнению с полуволновым вибратором.

Рис. 4.3 Панельные излучатели:

б) одиночные, в) сдвоенные

Антенны для радиовещания в метровом и более коротковолновых диапазонах, как правило, реализуются в виде решетки из вертикальных симметричных вибраторов, закрепляемых на вертикальной стойке. Исходя из необходимой механической прочности и широкополосности вибраторы выполняются достаточной толщины или петлевыми. Постоянство поля в азимутальной плоскости, в данном случае, обеспечивается характеристиками излучения вибраторов.

На базовых станциях сотовой связи применяют панельные антенны, представляющие собой линейные антенные решетки вибраторных, полосковых или щелевых излучателей. Они выполняются в виде конструкций закрытых от осадков с помощью пластикового обтекателя и имеющих металлический корпус, заземляемый по постоянному току для защиты от молний. Дополнительная молниезащита обеспечивается тем, что панели устанавливаются на технических площадках, выше которых располагаются металлические конструкции для установки фонарей светоограждения и специальных молниеотводов.

Базовые станции, располагающиеся в центре соты, должны иметь антенны с диаграммой направленности близкой к круговой в горизонтальной плоскости. Для получения такой диаграммы направленности используют 3 или 4 панели, которые запитываются синфазно. Из-за значительной стоимости панели, учитывая питающие кабели, обычно ограничиваются тремя, допуская неравномерность диаграммы до 0, 5 от максимума.

Так как фазовые центры антенны подняты на достаточно большую высоту, требуется иметь главный максимум ДН «наклоненным» к поверхности земли. Угол наклона (см. рис.4.4) зависит от радиуса Земли, высоты фазового цента и может быть определен по соотношению:

, (4.5)

где h- высота фазового центра;

R- радиус Земли.

Рис. 4.4 – Угол наклона панели.

Наклон диаграммы направленности турникетных антенн обеспечивается обычно фазировкой излучателей, а антенн сотовой связи путем механического наклона панели относительно плоскости горизонта.