Антенны для базовых станций сетей UMTS

18.03.2008

Основу антенного парка сетей GSM/UMTS в настоящее время составляют панельные антенны с кроссполяризацией (X-pol) и антенны с вертикальной поляризацией.

Журнал "Технологии и средства связи" #1, 2008

Андрей Голубев, эксперт по системам

Основу антенного парка сетей GSM/UMTS в настоящее время составляют панельные антенны с кроссполяризацией (X-pol) и антенны с вертикальной поляризацией.

Антенны с кроссполяризацией используются в основном для организации покрытия вне помещений. Основной парк антенн для UMTS составляют широкополосные антенны (X-pol broadband 1710-2170 МГц), сдвоенные широкополосные (XX-pol Quadpol broadband), позволяющие одновременно работать и в UMTS и в GSM1800, двух-диапазонные (XX-pol dualband) - для одновременной работы в UMTS и в GSM900, и трехдиапазонные антенны (ХХX-pol tripleband), работающие в диапазонах UMTS, GSM900 и 1800. Кроме того, на рынке представлены трех-секторные антенны (X-pol Tri-sector), которые выпускаются как одно-, двух-и трехдиапазонные.

Антенны с вертикальной поляризацией (V-pol) в сетях UMTS используются в основном для организации покрытия внутри помещений (indoor). Антенны V-pol выпускаются как направленные, так и всенаправленные.

Спецификой сетей UMTS, в отличие от сетей GSM, является, как известно, их динамический характер, то есть изменение площади покрытия в зависимости от нагрузки, а также небольшие по площади зоны покрытия, которые при обслуживании вызывают проблему оптимизации handover-зон. При нахождении абонента в зоне действия нескольких базовых станций (БС) имеет место так называемый soft handover, когда абонентская станция использует ресурс нескольких сот, увеличивая нагрузку на сеть. Увеличение зоны "мягкого хэндовера" уменьшает общую емкость сети, а значит, снижает уровень связи ОAО "Скандинавский дом" обслуживания и качество предоставляемых услуг, особенно услуг высокоскоростной передачи данных, предъявляющих повышенные требования к качеству покрытия.

Одним из наиболее эффективных инструментов оптимизации площади покрытия является ограничение излучаемой антенной мощности и обеспечение более четкой границы зоны покрытия путем управления углом наклона диаграммы направленности (ДН) антенны в вертикальной плоскости.

В антеннах UMTS имеется возможность как механической, так и электрической регулировки угла наклона ДН. Электрический наклон предпочтителен, поскольку не вызывает искажения формы ДН в горизонтальной плоскости и азимутальной зависимости угла наклона и коэффициента усиления антенны, что позволяет достичь нужной концентрации мощности излучения по периметру зоны покрытия. В результате обеспечивается возможность четкого позиционирования краев зоны покрытия в зависимости от уровня мощности излучения для конкретной услуги, что важно при обеспечении высококачественных услуг высокоскоростной передачи данных.

Антенны выпускаются как с фиксированным углом наклона, так и с возможностью регулировки его на месте или дистанционно. Все новейшие антенные системы для сетей UMTS реализуют функции дистанционного управления углом наклона ДН с помощью специальных модулей, подключаемых ко встроенным фазовращателям. Управление такими модулями осуществляется с блока управления, располагаемого на Б С, или от общей системы управления сетью, что позволяет динамически изменять зону обслуживания в зависимости от нагрузки на конкретный сектор БС.

В предлагаемом обзоре рассматриваются X-pol-антенны UMTS мировых лидеров в области разработки и производства антенно-фидерного оборудования - компаний Andrew, Kathrein, Powerwave и RFS. Большинство антенн UMTS имеет систему электрической регулировки угла наклона диаграммы направленности (ДН).

Конструкция панельных X-pol-антенн

Панельная X-pol-антенна представляет собой две независимые системы излучателей, расположенные симметрично вдоль отражающего экрана с наклоном +45° и -45° и формирующие ДН с шириной основного лепестка в горизонтальной плоскости 65° или 90°.

Коэффициент усиления, а следовательно, и ширина ДН в вертикальной плоскости зависит от количества излучающих элементов в антенной решетке. Расстояние между излучающими элементами подбирается таким образом, чтобы получить минимальный уровень боковых лепестков, поэтому при определенной длине корпуса панельной антенны можно расположить ограниченное количество элементов. Наиболее часто встречаются длины панельных антенн 0,7, 1,3 и 2 м. Многодиапазонные антенны могут иметь длину и 2,6 м. Типовые значения коэффициента усиления и ширины ДН в вертикальной плоскости в зависимости от длины корпуса антенны приведены в табл. 1.



Возможность настройки излучателей X-pol-антенн на работу в любом диапазоне позволяет выпускать на их базе многодиапазонные антенны 900/1800/2100 МГц с заданными характеристиками и независимой регулировкой угла наклона ДН в каждом частотном диапазоне. Максимально в одном корпусе удается разместить до девяти независимых X-pol-антенн, образующих, например, полноценный антенный комплекс для трехсекторной БС.

Для обеспечения эффективного разнесенного приема вектора поляризации X-pol-антенн должны быть ортогональны друг другу, а требуемая поляризационная развязка между двумя антеннами (коэффициент кроссполяризации) -сохраняться в широком секторе азимутальных углов.

Следует отметить, что для обеспечения необходимых градиентов мощности по краям зоны покрытия антенны для сетей UMTS имеют, как правило, более низкий уровень боковых лепестков по сравнению с X-pol-антеннами для сетей GSM.

X-pol-антенны выпускаются указанными выше производителями в достаточно широком ассортименте, позволяющем строить сети UMTS любой конфигурации. При этом двухдиапа-зонные и трехдиапазонные антенны обеспечивают возможность использования при построении сетей UMTS имеющехся БС сетей GSM.

Конструктивные особенности X-pol-антенн

Основные электрические характеристики антенн различных производителей на первый взгляд достаточно близки друг другу, однако конструктивные отличия, обусловленные различными технологиями изготовления излучателей, а также их запитки существенно различаются, что влияет на электрические характеристики антенн. Рассмотрим их более подробно.

Традиционная технология изготовления излучателей (Andrew, Kathrein и RFS) предполагает использование в X-pol-антеннах дипольных излучателей (полуволновых симметричных электрических вибраторов), располагаемых вдоль отражающего экрана антенны с наклоном к нему под углом +45 или -45°.


Альтернативная технология (Powerwave) предполагает использование в качестве излучателей полосковых антенн -металлические пластины квадратной формы, расположенные над сплошным экраном и возбуждаемые двумя взаимно-перпендикулярными щелевыми излучателями (полуволновыми симметричными магнитными вибраторами). Причем линии запитки, щелевые излучатели и экран выполнены в виде единой печатной платы. В качестве материала платы используется двусторонний фольгиро-ванный стеклофторопласт.

Высокая повторяемость электрических параметров антенн

Высокая повторяемость электрических параметров антенн имеет большое значение при серийном производстве для обеспечения идентичности ДН. Печатный монтаж обеспечивает высокую точность изготовления элементов антенн, а следовательно, высокую повторяемость характеристик антенн.

В дипольных антеннах при изготовлении вибраторов, например, методом штамповки (Andrew и RFS) неизбежны некоторые неточности размеров механических элементов антенны и, как следствие, электрических характеристик. Для повышения точности геометрических размеров и формы производители (например, Kathrein) изготавливают диполи методом литья или фрезеровки (из прокатного профиля), что несколько удорожает конструкцию.

Сложность соблюдения геометрической длины отдельных отрезков кабелей в линиях запитки и их точного местоположения при пайке неизбежно приводит к некоторому рассогласованию фаз запитки отдельных элементов антенной решетки. Большое число точек пайки потенциально увеличивает риск возникновения интермодуляции. Пайка в таких антеннах выполняется вручную. Никто не застрахован, что при ручной пайке могут быть допущены ошибки, поэтому производители вынуждены проводить тщательную проверку антенн после производства, опять же удорожая процесс производства.

Коэффициент кроссполяризации


Высокая поляризационная развязка очень важна для обеспечения эффективного разнесенного приема. Степень эффективности поляризационной развязки между антенными системами определяется коэффициентом кроссполяризации, который должен поддерживаться во всем секторе углов излучения. Современные технологии изготовления излучателей позволяют достичь высоких (до 25 дБ) значений коэффициента кроссполяризации в направлении основного излучения, однако на краях ДН в дипольных антеннах он падает до 10 дБ, что снижает эффективность разнесенного приема, в частности, в зоне handover.

Уровень излучения назад


Особенности функционирования сетей UMTS предъявляют повышенные требования к подавлению боковых и задних лепестков ДН в горизонтальной плоскости. В идеале панельная антенна должна излучать в секторе 120°, резко снижая уровень излучения за его пределами. На практике производители добиваются подавления уровня излучения назад на 30 дБ. Однако важно подавить излучение назад в широком секторе углов.

На уровень излучения в задней полусфере ДН основную роль играет конструкция рефлектора антенны. Чаще всего производители панельных антенн применяют рефлектор, выполненный методом штамповки из алюминиевого листа, который представляет собой профиль с отогнутыми краями в виде буквы "П".

Многодиапазонные X-pol-антенны для сетей UMTS


При развертывании сетей UMTS на базе существующих сетей GSM вынуждает операторов использовать двух- и трехдиа-пазонные антенны, представляющие собой достаточно сложные электромеханические системы, как правило включающие в себя устройства регулировки электрического наклона ДН. Надежность функционирования таких антенных систем в сложных климатических условиях приобретает первостепенное значение.

Антенные комплексы UMTS

Растущие сложности с размещением новых сайтов для сетей UMTS обусловливают тенденцию к интеграции различных компонентов антенно-фидерного тракта в единую конструкцию, что обеспечивает не только повышение общей надежности антенной системы, но и улучшает ее внешний вид.

Так, все ведущие производители предлагают антенные комплексы на базе трехдиапазонных антенн, однако конструктивно они выполнены по-разному. Kathrein, например, предлагает триплексные антенны с внешними устройствами наклона луча, МШУ и фильтрами-комбайнерами.

В пользу интегрированных комплексов говорит достигаемая высокая функциональная насыщенность, когда в одном корпусе удается разместить все дополнительное оборудование для трехсекторной БС. Одновременно сокращается время монтажа, улучшается внешний вид антенных комплексов, сводится к минимуму риск ошибки при монтаже оборудования и упрощается техническое обслуживание.

Заключение

При выборе антенн UMTS проектировщики исходят из необходимости обеспечения:

  • максимально высокой надежности и долговечности антенных систем;
  • совместимости с имеющейся сетевой инфраструктурой и действующей в сети системой управления;
  • удобства монтажа и технического обслуживания;
  • возможности дистанционного мониторинга и изменения основных параметров антенных систем;
  • эстетичного внешнего вида.


Поставляемые на российский рынок антенны для сетей UMTS имеют сходные электрические параметры, однако имеющиеся конструктивные особенности оставляют почву для детального анализа всех параметров антенн с целью оптимального выбора антенной системы. Наиболее исчерпывающие результаты дает сравнение оцифрованных диаграмм направленности, которое позволяет наглядно оценить уровень первого верхнего бокового лепестка ДН и тенденцию его изменения при различных углах наклона ДН, величину провала (Null-fill) между основным и нижним боковым лепестком, а также характер излучения антенны в задней полусфере.

Наметившаяся в последнее время тенденция к передаче части функций обслуживания сторонним организациям, в основном поставщикам оборудования или их аффилированным компаниям, придает вопросу выбора антенных систем стратегический характер. При решении этого вопроса оператору приходится принимать во внимание не только собственный опыт использования того или иного оборудования, но и возможности поставщика по ведению региональных проектов развития фрагментов сетей, включая вопросы проектирования, строительства, поставки, монтажа оборудования, его технического обслуживания, обучения кадров.

Подписка: