В современном мире развитие мобильных сетей связано с расширением частотного спектра и внедрением инновационных технологий связи. Каждая новая генерация мобильных стандартов предъявляет особые требования к антеннам, которые должны обеспечивать эффективную работу в конкретных частотных диапазонах. Правильный выбор и проектирование антенн напрямую влияют на качество покрытия, пропускную способность и устойчивость сети. Рассмотрим детально, как частотные диапазоны влияют на выбор антенн для мобильных сетей, с акцентом на последние достижения в области 5G.
Частотные Диапазоны 5G
Технология 5G использует широкий спектр частот, который можно условно разделить на три основных диапазона: низкочастотный (Sub-1 GHz), среднечастотный (1–6 GHz) и миллиметровый диапазон (mmWave, выше 24 GHz). Каждый из них играет свою роль в обеспечении различных характеристик сети.
- Низкочастотный диапазон (600-900 МГц) обеспечивает широкий радиус действия и хорошее проникновение сигнала в здания. Пример — диапазон 600 МГц, используемый в США для покрытия сельских районов.
- Среднечастотный диапазон (1.8-3.5 ГГц)
- Миллиметровый диапазон (24-52 ГГц) характеризуется высоким уровнем пропускной способности и малыми задержками, но с ограниченной зоной покрытия и сложностями проникновения в здания. Типичный пример — диапазон 26 и 28 ГГц.
ГОСТ Р 57771-2017 и международные нормы ITU-R рекомендуют использовать именно эти диапазоны как базовые для развертывания 5G сетей, что формирует требования к параметрам и конструкции антенн.
Механизмы работы в различных частотных диапазонах 5G
Антенны в диапазоне 600-900 МГц традиционно имеют большие размеры — длина вибратора для полуволновой антенны около 16-25 см, что соответствует длине волны от 0.3 до 0.5 м. Для диапазона 3.5 ГГц длина волны около 8.5 см, что позволяет уменьшить размер антенн и внедрить массивы для MIMO-технологий.
В миллиметровом диапазоне длина волны сокращается до нескольких миллиметров (примерно 10-12 мм при 26-28 ГГц), что дает возможность создавать компактные фазированные антенны с большим числом элементов — от 64 до 256, применяемых в передовых базовых станциях.
Роль стандартизации
Стандарты 3GPP Rel-15 и последующих релизов регламентируют использование указанных частот для 5G NR (New Radio). Эксперты, такие как представители Nokia Bell Labs и Qualcomm, выделяют, что именно гибкость в частотных диапазонах позволяет оптимально сочетать покрытие и пропускную способность.
Обзор частотных диапазонов мобильных сетей и их характеристики
Для понимания тонкостей выбора антенн необходимо рассмотреть мобильно работающие частотные диапазоны в целом, начиная с 3G и 4G, которые составляют фундамент современной коммуникационной инфраструктуры.
Частотные диапазоны мобильных сетей
Традиционно диапазоны мобильной связи делятся на низкочастотные (450-900 МГц), среднечастотные (1.8-2.6 ГГц) и высокочастотные (3.5 ГГц и выше). Для 3G наиболее распространены диапазоны 900 МГц (UMTS Band 
и 2100 МГц (Band 1). 4G LTE активно эксплуатирует от 700 МГц (Band 12, 13 в США), 1.8 ГГц, 2.6 ГГц и выше.
Анализ частотных диапазонов 4G
4G-сети получили распространение благодаря высокой пропускной способности и использованию широких полос частот — от 5 МГц до 20 МГц. Наиболее распространённый диапазон — 1800 МГц (Band 3) — оптимально сочетает зону покрытия и скорость передачи данных. Антенны в этих диапазонах, как правило, обладают следующими характеристиками:
- Размеры антенн: полуволновой диполь для 1800 МГц — около 8.3 см по длине вибратора;
- Номинальный коэффициент усиления: 5-7 дБи;
- Полоса пропускания: от 10 до 20 МГц;
- Температурный диапазон эксплуатации: от -40°C до +70°C.
Согласно ГОСТ 30313-2002, антенны для мобильной связи должны обеспечивать устойчивую работу при температурных перестройках и при влажности воздуха до 95%.
Особенности частотных диапазонов 5G и их влияние на дизайн антенн
Требования к антеннам для 5G-сети
Появление 5G сдвигает акценты на использование масштабируемых фазированных антенных решеток и технологии Massive MIMO. Такие антенны должны эффективно работать на частотах от нескольких сотен МГц до десятков ГГц.
- Низкочастотные антенны 5G часто базируются на проверенных конструкциях с интеграцией фильтров и способны обеспечивать зону покрытия до 10 км, что важно при покрытии сельской местности.
- Среднечастотные антенны (3.3-4.2 ГГц)
- Антенны millimeter-wave базируются на фазированных решетках с сотнями элементов, способных обеспечивать электронное управление направлением луча с разрешением в 1-2 градуса, что повышает пропускную способность до нескольких десятков Гбит/с.
Пример расчета: длина вибраторов антенн для 5G
Для частоты 3500 МГц (λ ≈ 8.57 см), длина полуволнового вибратора будет около 4.3 см. Для 28 ГГц (λ ≈ 10.7 мм) — всего 5.35 мм. Такая миниатюризация требует применения современных материалов и точной технологии сборки.
Исследователи из IEEE Communications Society подчеркивают, что использование массивов антенных элементов компенсирует физические ограничения, обеспечивая высокую эффективность и способность к агрегации данных.
Технические требования к антеннам в зависимости от частотных диапазонов
Влияние частоты на антенну
Частота сигнала определяет ключевые параметры антенны — размер, форму, полосу пропускания, коэффициент усиления и диаграмму направленности. Чем выше частота, тем меньше длина волны, что позволяет делать антенны компактнее, но усложняет изготовление и требует более точных измерений.
Например, для диапазона 700 МГц длина волны — примерно 43 см, а размеры антенны должны обеспечивать минимум полуволновой вибратор (≈21.5 см). В диапазоне 28 ГГц длина волны — 10.7 мм, что позволяет размещать сотни элементов на небольшой площади.
Мобильные частотные диапазоны 3G 4G 5G и требования к антеннам
- Для 3G (900-2100 МГц) антенны обладают небольшим усилением (до 5 дБи), широким углом излучения и сравнительно просты в конструкции.
- 4G LTE (700-2600 МГц)
- 5G (>600 МГц до 52 ГГц)
ГОСТ 28680-90 регламентирует стандарты для антенн, используемых в мобильных радиосистемах, где прописаны требования по температурным режимам (от -50°C до +85°C), влагостойкости и устойчивости к механическим воздействиям.
Влияние частотных диапазонов на покрытие и пропускную способность мобильных сетей
Выбор частотного диапазона мобильной связи оказывает ключевое влияние на размер зоны покрытия базовой станции и максимальную пропускную способность сети. Низкие частоты обеспечивают большую зону покрытия: например, 700 МГц может покрывать до 10 км радиуса, в то время как 28 ГГц — менее 500 м.
Высокочастотные диапазоны обеспечивают высокую скорость передачи данных за счет широких полос пропускания и возможности использования массивов MIMO. Представим пример: полоса пропускания 100 МГц на 28 ГГц позволяет получить скорость до 10 Гбит/с в условиях идеального сигнала.
При этом выбор антенны играет важную роль: антенны с высоким коэффициентом усиления способны компенсировать затухание сигнала, особенно в условиях городской застройки.
Исследования Ericsson показывают, что в диапазоне 3.5 ГГц оптимальное покрытие достигается при установке базовых станций с секторными антеннами усилением 15 дБи и шириной диаграммы равной 65°, обеспечивая необходимые уровни сигнала в радиусе 2-3 км.
Практические аспекты выбора и оптимизации антенн для различных частотных диапазонов мобильной связи
Выбор антенны для мобильной сети
При выборе антенны для базовой станции необходимо учитывать следующие параметры:
- Рабочий частотный диапазон: антенна должна полностью покрывать частоты используемой сети (например, Band 1 2100 МГц для 3G или Band n78 3500 МГц для 5G);
- Коэффициент усиления: влияет на дальность и качество связи;
- Поляризация: для MIMO используется двойная или круговая поляризация;
- Диаграмма направленности: секторные антенны для покрытия территорий, всенаправленные — для небольших зон;
- Механическая прочность и погодоустойчивость;
- Совместимость с оборудованием передачи сигнала и радиочастотными интерфейсами.
Выбор антенны по частоте
Важнейшим критерием является соответствие длины антенны длине волны. Например, для 1800 МГц подбирается полуволновой вибратор длиной ≈8.3 см. Важна также ширина рабочей полосы — при расширении частотного диапазона антенна должна сохранять качество согласования (КСВ не более 1.5), что достигается применением сложных схем согласования или широкополосных элементов.
Практический пример — использование антенн панельного типа длиной от 40 см для 700 МГц с усилением 8-10 дБи и шириной диаграммы по азимуту 65°. Для 3.5 ГГц применяются антенны длиной 10-15 см с усилением около 18 дБи, что позволяет использовать комплексные решения с поддержкой beamforming.
Оптимизация антенн также включает управление температурным режимом и устойчивость к влаге — в российских климатических условиях важны нормативы ГОСТ 30804.4.2-2013 (СНиП 2.04.05-91) для обеспечения долговечности антенн.
Методы оптимизации
Моделирование антенн в программных комплексах (CST Microwave Studio, HFSS) позволяет точно рассчитывать параметры в условиях заданных частотных диапазонов. Современные исследования, опубликованные в журнале IEEE Antennas and Propagation Magazine, рекомендуют применять технологии адаптивного управления лучом для повышения эффективности в динамических условиях.
В конечном итоге выбор и настройка антенны — это баланс между частотными характеристиками, экономическими аспектами и условиями эксплуатации.
Заключение
Частотные диапазоны мобильных сетей оказывают прямое влияние на выбор и проектирование антенн. Каждая технология – 3G, 4G или 5G – предъявляет свои требования к размеру, усилению и конструкции антенн. Особенности 5G, поддерживающие работу в различных частотных диапазонах, требуют использования комплексных фазированных решеток и продвинутых технологий адаптивного управления направлением излучения. Соблюдение нормативов, правильный выбор и оптимизация антенн обеспечивают качественную и эффективную работу современных мобильных сетей.
Мнение эксперта:
Наш эксперт: Козлов С.В. — Ведущий инженер по радиочастотным системам связи
Образование: Московский технический университет связи и информатики (МТУСИ), магистр радиотехники; дополнительно обучение по программам 3GPP и 5G NR в Европейском институте телекоммуникаций
Опыт: более 10 лет работы в области проектирования и оптимизации мобильных сетей; участие в ключевых проектах по внедрению LTE и 5G антенн в российских и международных операторах связи
Специализация: изучение влияния частотных диапазонов (sub-6 GHz и mmWave) на выбор, конфигурацию и оптимизацию антенн для мобильных сетей 4G и 5G
Сертификаты: сертификат инженерного специалиста 3GPP, награда за вклад в развитие технологий 5G от крупного оператора мобильной связи
Экспертное мнение:
Чтобы расширить знания по теме, изучите следующие материалы:
- IEEE Communications Surveys & Tutorials: Frequency Bands and Antenna Design for 5G
- ГОСТ Р 54179-2010. Оборудование средств связи. Антенны. Основные параметры и методы измерений
- ITU-R Recommendation M.1036-6: Frequency Arrangements for Mobile Systems
- Минцифры России. Официальные документы по развитию мобильных сетей