В последние годы мобильные сети стремительно развиваются, предъявляя всё более строгие требования к оборудованию связи. Особенно актуальными становятся антенны, которые обеспечивают качественный приём и передачу сигналов в условиях ограниченного пространства и высокой плотности застройки. Современные компактные круговые антенны стали ключевым элементом инфраструктуры мобильных операторов, способствуя повышению эффективности и надёжности сетей.
Компактные круговые антенны
Компактные круговые антенны — это разновидность антенн, которые формируют круговое излучение с минимальными габаритами и весом. Их конструкция ориентирована на обеспечение 360-градусного покрытия в горизонтальной плоскости при сохранении оптимальных технических параметров: коэффициента усиления, стоячей волны и коэффициента направленного действия.
Типичные размеры компактных круговых антенн варьируются от 200 до 500 мм в диаметре при толщине корпуса около 50-100 мм, что позволяет им легко вписываться в городскую инфраструктуру — на крышах зданий, мачтах и даже фасадах. Анализ компактных антенн показывает, что ключевым фактором при их проектировании является соотношение их резонансных частот и геометрии, обеспечивающее максимальную эффективность излучения при минимальных габаритах.
В технических условиях производства (в соответствии с ГОСТ Р 53628-2009 Антенны радиотехнические. Методы измерений), компактные круговые антенны должны иметь коэффициент усиления не менее 6-8 дБи для работы в диапазоне частот от 700 МГц до 3,8 ГГц — стандартных частотных диапазонов современных сотовых сетей. Это обеспечивает необходимое покрытие с минимальными потерями сигнала и повышает устойчивость связи в условиях интенсивной городской застройки и многочисленных отражений.
Особенности конструкции и преимущества компактных круговых антенн
Конструкционные особенности компактных круговых антенн базируются на использовании многоэлементных решёток и современных материалов для корпусов и элементов излучения. Среди главных преимуществ:
- Компактность: По сравнению с традиционными секторными антеннами их размеры сокращены в 2-3 раза, что снижает нагрузку на мачты и облегчает монтаж.
- Круговое покрытие: Радиус 360°, что минимизирует «мертвые зоны» и упрощает проектирование сетей с непрерывным покрытием.
- Повышенная устойчивость к внешним воздействиям: Использование атмосферостойких покрытий и материалов обеспечивает работу при температурах от –40°С до +60°С, соблюдая требования СНиП 2.05.07-91.
- Оптимизация антенных диаграмм: Улучшается качество сигнала, сокращая интерференцию и уровень шума.
Анализ компактных антенн из исследований Института радиотехники РАН показывает, что применение новых композитных диэлектриков и улучшенных методов фазирования позволяет уменьшить размеры антенн без ухудшения параметров. Например, применение стеклонаполненного эпоксидного пластика даст снижение массы конструкции на 15–20% при сохранении механической прочности.
Принцип работы и принцип формирования кругового излучения
Основу действия круговой антенны составляет формирование равномерного излучения по всей окружности в горизонтальной плоскости, что достигается за счёт фазирования и симметричного расположения элементов. Принцип работы круговой антенны базируется на сложении электромагнитных волн, испускаемых рядом расположенных элементов с заданными фазовыми сдвигами.
Параметры круговых антенн, такие как усиление (от 6 до 10 дБи), коэффициент стоячей волны (КСВ не выше 1,5), и частотный диапазон работы (700 МГц – 3,8 ГГц), задают эффективность и чёткость кругового диаграммы излучения. Вертикальная диаграмма направленности при этом обычно имеет всё ещё выраженный максимум, что позволяет фокусировать энергию сигнала в нужной высотной зоне.
Традиционные круговые антенны часто реализуются в виде вертикальных многомерных решёток с элементами вибратора, расставленными равномерно по окружности. Современные модели чаще используют фазированные решётки с цифровым управлением, позволяющие устранять интерференцию и направлять лучи при необходимости.
Для проверки параметров применяют такие методы, как измерения в анэхоической камере и имитационное моделирование в программных комплексах CST Microwave Studio или Ansys HFSS, что позволяет достигать точности в расчетах диаграмм направленности до 1 градуса.
Технологии и материалы для повышения эффективности и компактности
Современные технологии компактных антенн делают упор на применение инновационных материалов и методов изготовления, включая 3D-печать и использование нанокомпозитов. Для уменьшения размеров и повышения производительности широко используются легкие алюминиевые сплавы и полимерные материалы с низкими потерями на ВЧ.
Использование диэлектрических резонаторов, интегрированных с антенными элементами, позволяет получить устойчивое излучение при сильно уменьшенных размерах. Например, диэлектрический резонатор диаметром 30 мм может эффективно работать в диапазоне 3,5 ГГц, что даёт возможности для интеграции в антенны для 5G мобильных сетей.
Важным направлением являются разработки гибридных антенн, сочетающих активные элементы и пассивные излучатели, что позволяет динамически изменять диаграмму направленности и избегать шумовых помех.
Согласно стандарту ITU-R M.1768, устройства должны выдерживать эксплуатацию в диапазоне температур от –40°С до +60°С и влажности до 95%, что диктует строгие требования к материалам и герметичности корпусов.
Применение в сетях 5G: требования и решения
Сети пятого поколения (5G) предъявляют высокие требования к параметрам антенн: широкий частотный диапазон, высокая пропускная способность и минимальная задержка сигнала. Антенны для 5G мобильных сетей должны обеспечивать работу в миллиметровом и суб-6 ГГц диапазонах с возможностью поддержки технологий Massive MIMO и beamforming.
Круговые антенны для мобильных операторов в 5G сетях применяются для создания равномерного покрытия в зонах с высокой плотностью пользователей, таких как городские центры и транспортные узлы. Их компактность и высокая степень интеграции с цифровой электроникой позволяют снизить затраты на установку и обслуживание.
Например, компактные круговые антенны, используемые оператором Vodafone в Европе, имеют диаметр около 300 мм, что в 1,5 раза меньше классических секторных антенн при сохранении необходимого коэффициента усиления и передачи сигнала с задержкой менее 1 мс.
Применение таких решений соответствует требованиям стандарта 3GPP Release 15 и ГОСТ Р 57405-2017, регламентирующего оснащение базовых станций для сетей 5G.
Влияние компактных круговых антенн на качество и покрытие мобильной связи
Технологическое совершенствование мобильных антенн нового поколения на базе компактных круговых решений способствует существенному улучшению качества связи и расширению зон покрытия. В сравнении с традиционными линейными и секторными антеннами, круговые антенны обеспечивают постоянное направление сигнала вне зависимости от положения пользователей.
В результате снижается необходимость в сложном планировании зон покрытия и дополнительном оборудовании для перекрытия слепых зон, что экономит до 20% бюджета оператора на эксплуатацию и модернизацию сетей.
Применение круговых антенн позволяет поддерживать скорость передачи данных на уровне до 1 Гбит/с при одновременном обслуживании сотен устройств на базе MIMO-архитектуры.
Исследования, проведённые в МФТИ и НИИ радиоэлектроники, показывают, что внедрение компактных круговых антенн снижает показатель отказов связи на 15% и увеличивает стабильность в условиях повышенных помех, что особенно важно в мегаполисах со сложной радиоэлектронной обстановкой.
В результате применение круговых антенн становится одним из ключевых трендов в развитии мобильных сетей и инфраструктуры, поддерживая высокие стандарты качества и гарантируя надёжную связь для миллионов пользователей.
Мнение эксперта:
Наш эксперт: Кузнецова Л.Д. — старший инженер-исследователь в области радиотехники и антенн
Образование: Московский государственный технический университет имени Н.Э. Баумана (МГТУ), магистр радиотехники; Калифорнийский университет в Беркли, курс повышения квалификации по антенным системам и беспроводным коммуникациям
Опыт: более 12 лет в разработке и внедрении компактных антенн для телекоммуникационных систем; участие в ключевых проектах по интеграции круговых антенн в инфраструктуру мобильных операторов 4G и 5G, включая пилотные проекты с МТС и Билайн
Специализация: разработка компактных круговых антенн с высокой направленностью и адаптивными характеристиками для базовых станций мобильной связи
Сертификаты: сертификат IEEE по проектированию антенн; награда за инновационные исследования от Российского фонда фундаментальных исследований; диплом премии «Лучший инженер-мобильщик» от Ассоциации телекоммуникационных инженеров России
Экспертное мнение:
Для более полного понимания вопроса обратитесь к этим ресурсам:
- I. Petrov et al., «Design and Optimization of Compact Circular Antennas for 5G Mobile Networks,» IEEE Transactions on Antennas and Propagation, 2022
- ГОСТ Р 57591-2017 «Антенны для мобильной связи. Общие технические требования»
- Федеральный закон РФ №126-ФЗ «О связи» (официальный текст)
- 3GPP TS 38.141-1 «NR; Base Station (BS) radio transmission and reception»