Анализ работоспособности направленных антенн 28 Ггц на частотах 3.5 и 28 ГГц

Направленные антенны для 5G

В эпоху стремительного развития беспроводных технологий сеть пятого поколения (5G) требует инновационных решений для передачи данных на высоких скоростях и с минимальными задержками. Направленные антенны для 5G играют ключевую роль, обеспечивая точечную коммуникацию, улучшая покрытие и повышая энергоэффективность сетей. Использование таких антенн позволяет минимизировать интерференцию и расширить возможности спектра, что особенно важно для частотных диапазонов 3.5 ГГц и 28 ГГц. Именно эти диапазоны признаны основой для построения современной 5G инфраструктуры, обусловленной требованиями как к дальности, так и к пропускной способности.

1. Особенности направленных антенн для 5G сетей

Применение направленных антенн 5G сети обусловлено необходимостью фокусирования радиосигнала на определённые области, что значительно улучшает качество связи и снижает уровень помех. Направленные антенны характеризуются узкой диаграммой направленности (ДН), высоким коэффициентом усиления и малым углом раскрыва, что позволяет более эффективно использовать радиочастотный спектр.
Технические характеристики, часто применяемые в направленных антеннах для 5G, включают:
Коэффициент усиления: 15–30 дБи, что обеспечивает мощное локальное покрытие.
Угол раскрыва ДН: от 5° до 30°, позволяющий точно сфокусировать сигнал.
Импеданс: 50 Ом для обеспечения совместимости с большинством станций.
Размеры антенн: на частоте 3.5 ГГц — порядка 15–30 см в длину и ширину (например, сетчатые или панельные решения), на частоте 28 ГГц — значительно меньше, обычно 3–10 см, что обусловлено короткой длиной волны.
Рабочая температура: стандартный диапазон от -40 °C до +85 °C для наружного применения.
Согласно ГОСТ 33827-2016 Антенны направленные. Основные характеристики и методы измерения, обеспечение стабильного усиления и устойчивой диаграммы направленности — ключевой критерий качества антенн для 5G.
Важной особенностью направленных антенн для 5G является их интеграция в массивы, так называемые антенные решетки (Phased Arrays), которые позволяют изменять направление луча в реальном времени посредством электронного управления фазой сигнала, обеспечивая динамическое покрытие и устойчивость связи.
Исследования ведущих экспертов, таких как специалисты из IEEE Communications Society, подтверждают, что использование направленных антенн повышает спектральную эффективность сетей 5G до 10 раз по сравнению с традиционными всенаправленными решениями.

Внимание! При проектировании 5G сетей учитывайте требования к биению лучей и возможное возникновение интерференции от отражений, особенно когда используется несколько направленных антенн в плотной городской среде.

2. Анализ характеристик направленных антенн на частоте 3.5 ГГц

Диапазон 3.5 ГГц стал одним из основных для развёртывания 5G благодаря сбалансированному сочетанию дальности и пропускной способности. Направленные антенны 3.5 ГГц обеспечивают стабильную связь на расстояниях до 500–700 метров при прямой видимости, что идеально подходит для микро- и макроячейковой архитектуры сетей.
Характеристики направленных антенн на данной частоте включают:
Длина волны: порядка 8.57 см (λ = c/f, где c — скорость света, f = 3.5×10^9 Гц).
Размеры антенн: панельные модели обычно имеют габариты 20–30 см × 20–30 см.
Усиление: 15–20 дБи.
Поляризация: линейная или круговая, в зависимости от решения оператора.
Ширина луча (ДН): от 10° до 30°.
Пример практического применения — панельные антенны Ericsson с усилением 18 дБи на 3.5 ГГц, позволяющие обеспечить стабильную пропускную способность до 1 Гбит/с в условиях городской застройки с минимальной интерференцией.
Согласно исследованию, опубликованному в журнале IEEE Transactions on Antennas and Propagation, направленные антенны на частоте 3.5 ГГц имеют преимущество за счёт лучшего проникновения сигнала через препятствия сравнительно с более высокочастотными решениями.

Совет инженеру: для оптимизации работы направленных антенн 3.5 ГГц рекомендуется предусмотреть механизмы поворота и наклона антенн с точностью до 0.5°, что позволит адаптироваться к изменяющимся условиям эксплуатации.

3. Особенности работы направленных антенн на миллиметровом диапазоне 28 ГГц

С введением миллиметрового диапазона 28 ГГц происходит качественный скачок в скорости передачи данных и емкости сетей, однако данный диапазон предъявляет высокие требования к антеннам.
Направленные антенны 28 Ггц имеют следующие особенности:
Длина волны: около 10.7 мм, что позволяет создавать компактные антенны с высоким усилением.
Размеры устройств: зачастую не превышают 5×5 см, что облегчает интеграцию в базовые станции и пользовательские устройства.
Усиление: более 25 дБи, что связано с высоким требованием к направленности.
Угол раскрыва луча: узкий, порядка 5° — 10°, что способствует минимизации потерь и шума.
Чувствительность к погодным условиям: дождь, туман и другие атмосферные явления могут существенно снижать качество связи.
Рабочая температура: стандартно от -30 °C до +70 °C с учётом возможного сильного нагрева при интенсивной эксплуатации.
По данным исследований, опубликованных в IEEE Journal on Selected Areas in Communications, частота 28 Ггц антенны требует точной калибровки и систем управления лучом (beamforming) для поддержания устойчивой связи на расстояниях порядка 200–300 метров в городской среде.

Внимание! при проектировании систем на основе направленных антенн 28 Ггц необходимо учитывать нормативы снижения ПДП от ИК-приёмников, а также обязательное экранирование при установке для предотвращения межклеточной интерференции (см. ГОСТ Р 57465-2017).

Характеристики направленных антенн в миллиметровом диапазоне позволяют достигать пиковой пропускной способности свыше 10 Гбит/с, что открывает новые перспективы для видеостриминга высокой четкости, VR/AR приложений и промышленных IoT.

4. Сравнительный анализ эффективности направленных антенн на 3.5 и 28 ГГц

Сравнение работы антенных систем на частоте 3.5 Ггц антенны и частоте 28 Ггц антенны показывает существенные различия в покрытии, стабильности сигнала и применяемых технологиях.

Параметр	3.5 ГГц	28 ГГц
Длина волны	~8.57 см	~1.07 см
Усиление антенны	15–20 дБи	25–30 дБи
Размеры антенны	20–30 см (платформы панели)	3–5 см (компактные массивы)
Диаграмма направленности	10°–30°	5°–10°
Дальность действия	500–700 м	200–300 м
Чувствительность к погоде	Низкая	Высокая (влияние осадков, тумана)
Скорость передачи данных	До 1 Гбит/с	До 10+ Гбит/с

Исследования Национального института стандартизации и технологий США (NIST) подтверждают, что при прочих равных условиях работоспособность антенн 3.5 ГГц проявляется в более стабильном покрытии относительно 28 ГГц, который, несмотря на высокую пропускную способность, требует более сложной архитектуры сетей с меньшей дистанцией между точками доступа.
Практический расчёт для 3.5 ГГц: при коэффициенте усиления 18 дБи и мощности передатчика 1 Вт радиус уверенного покрытия составляет около 600 метров с запасом коэффициента шума в 6 дБ. Для 28 ГГц с усилением 28 дБи и такой же мощностью радиус упадет до 250 метров по причине увеличенного затухания воздуха и поверхностных отражений.

5. Влияние направленности антенн на качество связи в 5G сетях

Антенны с высокой направленностью существенно влияют на улучшение качества сигнала в сетях 5G за счёт фокусирования энергии и уменьшения уровня внеполосных выбросов.
Анализ направленных антенн показывает, что с помощью современных методик beamforming и MIMO можно добиться оптимального покрытия и высокого уровня повторяемости параметров связи.
Ключевые моменты:
Снижение интерференции за счёт уменьшения боковых лепестков диаграммы направленности.
Повышение энергоэффективности — направленные антенны требуют меньшей мощности для достижения того же радиуса действия.
Адаптация к подвижности пользователей благодаря динамическому управлению направлением луча.
Согласно рекомендациям ITU-R M.2412-0, при проектировании 5G сетей необходимо учитывать углы отклонения лучей и коэффициенты усиления с точностью не более 0.5 дБ для обеспечения необходимого качества обслуживания (QoS).

Совет по направленным антеннам: для оптимального развертывания 5G используют гибридные подходы, комбинируя направленные антенны 3.5 ГГц для зоны покрытия с большей дальностью и направленные антенны 28 Ггц для точек высокой плотности трафика, обеспечивая баланс покрытие-скорость.

Заключение: Анализ работоспособности направленных антенн на частотах 3.5 ГГц и 28 ГГц демонстрирует, что каждая из них имеет свои сильные стороны и ограничения. Использование эффективных решений и точных методик управления лучом позволит максимально раскрыть потенциал сетей 5G, обеспечивая высокую скорость, надёжность и адаптивность связи.
Статья подготовлена с учетом данных ГОСТ и Рекомендаций ITU, а также последних публикаций IEEE и практического опыта ведущих производителей теле- и радиокоммуникационного оборудования.

Мнение эксперта:

ПМ

Наш эксперт: Попова М.С. — старший научный сотрудник, инженер-радиофизик

Образование: Московский технический университет связи и информатики (МТУСИ), аспирантура в Институте радиотехники и электроники имени В.А. Котельникова РАН

Опыт: более 10 лет опыта в области проектирования и анализа направленных антенн для систем 5G и миллиметровых волн, участие в исследовательских проектах по оптимизации антенн на частотах 3.5 ГГц и 28 ГГц

Специализация: анализ характеристик и работоспособности направленных антенн для мобильных и фиксированных систем связи, моделирование распространения радиоволн в диапазонах 3.5 ГГц и 28 ГГц

Сертификаты: сертификаты IEEE по антеннам и распространению волн, дипломы за участие в международных конференциях по радиотехнике и телекоммуникациям

Экспертное мнение:

Анализ работоспособности направленных антенн на частотах 3.5 ГГц и 28 ГГц является ключевым этапом при проектировании современных систем связи, включая 5G. Эти диапазоны имеют различные характеристики распространения радиоволн, что требует тщательного моделирования и оптимизации антенн для обеспечения высокой надежности и эффективности передачи сигнала. Особое внимание уделяется устойчивости диаграмм направленности и сокращению потерь, что напрямую влияет на качество связи и покрытие. Понимание особенностей работы антенн в миллиметровом диапазоне позволяет создавать более компактные и производительные устройства для мобильных и фиксированных сетей нового поколения.

Для углубленного изучения темы рекомендуем ознакомиться со следующими материалами:

Что еще ищут читатели

Работоспособность направленных антенн 3.5 ГГц	Сравнение характеристик антенн на 3.5 и 28 ГГц	Влияние частоты на эффективность направленных антенн	Проектирование антенн для 28 ГГц	Методы измерения параметров антенн на миллиметровых волнах
Применение направленных антенн в 5G сетях	Антенны с высокой направленностью для передачи на 28 ГГц	Технологии повышения мощности антенн на 3.5 ГГц	Анализ распространения сигнала на частотах 3.5 и 28 ГГц	Влияние окружающей среды на работу антенн в миллиметровом диапазоне

Часто задаваемые вопросы