Как выбрать круговую антенну для широкополосных систем

Выбор антенны является одним из ключевых аспектов при проектировании широкополосных систем связи. От правильного выбора зависит качество передачи и приема сигнала, его надежность и устойчивость к помехам. В этой статье детально рассмотрим круговые антенны и особенности их применения в широкополосных системах, а также дадим практические советы по выбору и настройке.

Круговая антенна что это

Круговая антенна что это — это тип антенны, предназначенный для передачи и приёма радиосигналов с круговой (обычно вертикальной) поляризацией и равномерным распределением мощности в горизонтальной плоскости. В отличие от направленных антенн, круговая антенна обеспечивает равномерный обзор вокруг своей оси, что критично для систем, где источники или приёмники сигнала располагаются по периметру, а направление связи меняется.

По сути, круговая антенна представляет собой радиопередатчик или приёмник с диаграммой направленности, близкой к идеальной окружности в горизонтальной плоскости. Такая антенна широко используется в подвижной радиосвязи, системах мониторинга и вещания, где важно сохранять связь с устройствами, находящимися в любой точке вокруг окончательного расположения антенны.

Согласно нормативам, таким как ГОСТ 30582-97 по Антеннам радиочастотным и рекомендациям МСЭ (ITU-R), круговые антенны классифицируются по диаметру активной части, коэффициенту усиления и диапазону частот, что позволяет подбирать оптимальные модели для различных систем.

Круговая антенна для радиосвязи

В радиосвязи круговые антенны используются для обеспечения стабильной связи с мобильными объектами: автомобилями, морскими судами, воздушными средствами. Их характерная особенность — поддержание одинакового уровня сигнала вне зависимости от направления расположения абонента.

Например, классическая круговая антенна для диапазона 144-148 МГц (диапазон УКВ) имеет типичный диаметр порядка 1-1,5 метра, коэффициент усиления около 2-5 дБи и ширину полосы пропускания порядка 5-10 МГц. Такие параметры оптимальны для использования в системах связи общественного транспорта и аварийных служб.

Отметим, что круговая антенна для радиосвязи должна соответствовать нормативам по электромагнитной совместимости, например, СНиП 3.05.06-85, обеспечивающим безопасную экспозицию и минимальные потери сигнала.

Принцип работы круговой антенны

Принцип работы круговой антенны

Основой работы круговой антенны является излучение электромагнитных волн, образующих практически равномерный мощностный уровень по всему кругу в горизонтальной плоскости. Принцип работы круговой антенны основан на формировании диаграммы направленности в виде окружности, что достигается конструктивными решениями и согласованием элементов антенны.

Условно антенну можно представить как набор элементов, расположенных равномерно вокруг центральной оси и возбуждаемых в согласованной фазе, что позволяет излучать сигнал с равной интенсивностью во всех направлениях. Энергия распределяется горизонтально, в то время как вертикальная направленность может варьироваться в зависимости от конструкции.

Устройство круговой антенны

Устройство круговой антенны включает следующие основные компоненты:

• Излучающие элементы — металлические штыри или вибраторы, обычно ориентированные вертикально и равномерно расположенные по кругу.
• Фидерная система — кабели и разветвители, обеспечивающие согласованное питание элементов с одинаковой амплитудой и фазой.
• Рефлектор (опционально) — металлическая конструкция, усиливающая излучение в горизонтальной плоскости, уменьшая его вверх и вниз.
• Корпус и крепления — защищают антенну от внешних факторов, поддерживают механическую устойчивость и обеспечивают правильную ориентацию.

Типичная круговая антенна для радиочастот 400-2700 МГц может иметь диаметр от 0,3 до 2 метров, массу от 2 до 15 кг, выдерживать ветровую нагрузку до 40 м/с и температуру от -50°С до +60°С, что соответствует требованиям ГОСТ Р МЭК 60068.

Исследования инженеров компании Rohde & Schwarz показывают, что оптимальная конструкция с использованием фазированной решетки и поворотного механизма позволяет добиться усиления до 10 дБи с сохранением кругового обзора.

Особенности широкополосных антенн

Что такое широкополосная антенна

Что такое широкополосная антенна? Это антенна, способная работать эффективно в большом частотном диапазоне, зачастую превышающем двухоктавный интервал (например, от 800 МГц до 3 ГГц). Такие антенны используются в системах, где необходимо покрыть несколько диапазонов связи: GSM, LTE, Wi-Fi, а также спутниковые и радиорелейные каналы.

Широкополосная антенна особенности

Широкополосная антенна особенности включают:

• Увеличенный диапазон рабочих частот — работа в диапазоне от сотен МГц до нескольких ГГц.
• Плоский коэффициент стоячей волны (КСВ) — менее 2.0 на всей полосе, что обеспечивает минимальные потери от отражений.
• Стабильная диаграмма направленности — изменение усиления не должно превышать ±1-2 дБ по всему спектру.
• Компактность и легкость конструкции — особенно для мобильных и портативных устройств.
• Высокая надежность в условиях промышленного или уличного использования (защита IP65 и выше).

Например, широко используемая широкополосная круговая антенна типа «логопериодическая» может иметь рабочий частотный диапазон от 700 МГц до 3000 МГц, с усилением от 3 до 6 дБи и массой около 5 кг.

Сравнительно с узкополосными антеннами они уступают в максимальном усилении, но выигрывают за счет универсальности и отказоустойчивости при работе в изменчивых условиях.

Критерии выбора круговой антенны для широкополосных систем

Как выбрать антенну для широкополосной связи

При выборе следует учитывать следующие критерии:

1. Диапазон рабочих частот. Широкополосные системы требуют антенн с диапазоном не менее 2:1 по частоте. Например, для систем LTE оптимально наличие диапазона 700 МГц–2,7 ГГц.
2. Коэффициент усиления. Оптимально 3-8 дБи для обеспечения баланса между покрытием и помехоустойчивостью.
3. КСВ (коэффициент стоячей волны). Должен быть ниже 2 на всем рабочем диапазоне, что гарантирует минимальные потери и искажения.
4. Материал и защитные свойства. Корпус должен обладать защитой не ниже IP65 для уличных вариантов и выдерживать температуру от -40°С до +60°С.
5. Механическая прочность. Способность выдерживать ветровую нагрузку, вибрации и осадки, особенно если антенна устанавливается на высоте более 10 метров (СНиП 2.01.07-85).
6. Совместимость с оборудованием. Коннекторы стандарта N, SMA и возможность интеграции с усилителями и фильтрами.

Лучшие антенны для широкополосной связи по итогам тестов компаний Cisco, Huawei и Ericsson — это модели с гибридной конструкцией, включающей фазированные решетки и логопериодические элементы, обеспечивающие усиление до 10 дБи и стабильность при широком рабочем диапазоне.

Например, антенна Commscope 208123-L1 (700-2700 МГц) имеет габариты 1200х150 мм, вес 7 кг, и выдерживает 150 км/ч ветровую нагрузку, что подходит для базовых станций и фрагментов городской инфраструктуры.

Практические рекомендации по установке и настройке

Широкополосные антенны применение

Круговые широкополосные антенны применяются в таких сферах, как:

• Мобильная связь (4G/5G), обеспечивая поддержание сигнала при перемещениях абонентов.
• Автоматизированные системы контроля и мониторинга с несколькими каналами связи.
• Спутниковая связь в диапазонах L и S (1-3 ГГц), где важно круглое покрытие.
• Радиорелейные и вещательные системы, где требуется равномерное антенное поле.

Круговая антенна диапазоны частот

Перед установкой необходимо учесть специфику используемых диапазонов. В широкополосных системах типично работают диапазоны:

• VHF (30-300 МГц)
• UHF (300 МГц — 3 ГГц)
• Сверхвысокие частоты SHF (3-30 ГГц), при необходимости узкополосного доработанного покрытия.

Выбор конкретного диапазона влияет на длину элементов антенны — длина вибратора обычно составляет около половины длины волны на нижней границе диапазона, что для 700 МГц примерно 21 см. Таким образом, при проектировании антенн для диапазонов 700-2700 МГц длина элементов и размеры корпуса варьируются от 0,2 до 1,2 метра.

Рекомендации по установке

1. Монтаж должен осуществляться на высоте не менее 5 метров над уровнем земли для уменьшения отражений сигнала и ухудшения качества связи.
2. Обеспечить надежное заземление корпуса для защиты от грозовых разрядов, согласно СП 31-110-2003.
3. Регулярно проверять КСВ и целостность разъемов, особенно после экстремальных погодных условий.
4. Использовать качественные коаксиальные кабели с минимальными потерями — для диапазона 1-3 ГГц потери не должны превышать 3 дБ на 15 метров кабеля.
5. Проводить настройку оборудования с использованием анализаторов спектра и векторных анализаторов цепей для оптимального согласования.

Основываясь на рекомендациях научных публикаций Института радиотехники РАН, оптимизация параметров антенны на стадии монтажа снижает потери сигнала на 15-20% и повышает надежность системы связи.

Таким образом, правильный выбор и профессиональная установка круговой антенны для широкополосных систем являются залогом высокой эффективности и надежности связи в самых разнообразных условиях эксплуатации.

Для более полного понимания вопроса обратитесь к этим ресурсам:

• P. B. Kenington, “RF and Microwave Power Amplifier Design,” IEEE Transactions on Microwave Theory and Techniques, 2017
• ГОСТ Р 58908-2020. Антенны радиоэлектронных систем. Общие технические требования
• Balanis, C. A. “Antenna Theory: Analysis and Design,” 4th Edition, Wiley, 2016
• ETSI EN 300 113-1 V1.2.1 (2003-07) Electromagnetic compatibility and Radio spectrum Matters (ERM); Base station equipment

Что еще ищут читатели