Влияние размеров антенны на качество связи в мультичастотных системах

Влияние размера антенны на качество связи

Современные мультичастотные системы связи предъявляют высокие требования к качеству передачи и приёма радиосигнала, что напрямую связано с параметрами антенн, в том числе с их размерами. Размеры антенны определяют такие ключевые характеристики, как коэффициент усиления, направленность и полоса пропускания, которые формируют качество связи. При изменении частоты сигналов, используемых в мультичастотных системах, выбор оптимальных размеров антенны становится особенно критичным для обеспечения стабильной и надежной передачи данных. В данной статье рассмотрим влияние размера антенны на качество связи, особенности мультичастотных антенн, а также методы оптимизации и практические примеры.

Основы влияния размеров антенны на параметры сигнала

Размеры антенны тесно связаны с ее излучающими и приемными характеристиками, что оказывает непосредственное влияние на качество связи. Например, длина вибратора классической дипольной антенны обычно рассчитывается как половина длины волны принимаемого или передаваемого сигнала (λ/2). Исходя из этого, для частоты 900 МГц длина диполя составляет около 16,7 см (λ ≈ 33,3 см), а для частоты 2,4 ГГц – 6,25 см. Это иллюстрирует закономерность: с увеличением частоты размеры антенны уменьшаются.
Как размер антенны влияет на сигнал? Большие антенны обладают более высоким коэффициентом усиления и лучшей направленностью, что улучшает прием и передачу сигнала, уменьшает потери в пространстве и позволяет повысить дальность связи. Однако увеличение размера антенны не всегда возможно, особенно в мобильных устройствах, требующих компактности. В таких условиях критично выбирать дизайн, оптимально сочетающий размеры и технические характеристики.
Влияние размеров антенны на качество связи проявляется через такие параметры, как коэффициент стоячей волны (КСВ), ширина полосы пропускания и направленность. КСВ у современных антенн должен быть не более 2 для обеспечения минимальных отраженных волн и потерь. Например, по ГОСТ 30805.16-2013 для радиостанций на мобильных устройствах КСВ не должен превышать 1,5 в рабочей полосе частот. Изменения размеров антенны приводят к сдвигу резонансной частоты, что ухудшает параметры передачи.

Конструктивные особенности мультичастотных антенн

Мультичастотные антенны предназначены для обработки нескольких частотных диапазонов в одном устройстве, что значительно усложняет их конструкцию. В отличие от однополосных, такие антенны совмещают в себе элементы, способные эффективно работать в разных диапазонах — например, в Wi-Fi (2,4 и 5 ГГц) и LTE (700–2600 МГц).
Основной принцип работы мультичастотных антенн состоит в создании нескольких резонансных элементов с определёнными геометрическими характеристиками, совпадающими с длинами волн целевых частот. Они либо располагаются коаксиально, либо образуют сложные конструкции, например, PIFA (planar inverted-F antenna) с разными излучателями. Размеры каждого излучателя согласуются с соответствующей рабочей частотой, что позволяет повысить эффективность мультичастотных антенн.
В современном машиностроении и телекоммуникациях важно, чтобы мультичастотные антенны были компактными, легкими и устойчивыми к воздействию температурных и влажностных факторов. По нормативам, например, Tyco Electronics и другие производители ориентируются на стандарты MIL-STD-810 и ГОСТ 15150-69, обеспечивающие надежность работы антенн при температурных колебаниях от –40 до +85 °C.
Блок внимания:

Взаимосвязь размера антенны и эффективности передачи на разных частотах

В системах, использующих диапазоны радиочастот от VHF (30–300 МГц) до SHF (3–30 ГГц), размеры антенн варьируются в широких пределах: от нескольких метров для низких частот до нескольких миллиметров для высоких. По физическим закономерностям эффект Резонансаых длина антенны зависит от длины волны (λ). Обычно для максимальной эффективности вибратор имеет длину λ/2 или λ/4.
Размеры антенны и связь проявляются следующим образом: слишком маленькая антенна для определённой частоты не будет резонировать, что приведёт к потере энергии и ухудшению качества сигнала. С другой стороны, чрезмерно большие размеры затрудняют интеграцию и создают физические неудобства.
Для мультичастотных антенн, эффективность которых определяется способностью обеспечивать стабильную передачу в нескольких частотных диапазонах, использование компромиссных размеров и сложных конструкций является практическим решением. Исследования IEEE (2021) показывают, что оптимальное уменьшение физических размеров антенны вне критерия потерь — 15–30% без ухудшения коэффициента усиления.
Классическим примером является антенна PIFA для смартфонов, размеры которой могут быть порядка 30×10×5 мм, обеспечивая стабильный прием на 700 МГц и 2,4 ГГц. При этом вклад материала (например, излучающие элементы из меди толщиной 0,035 мм) важен для сохранения параметров.
Блок внимания:

Методы оптимизации размерных параметров для повышения качества связи

Оптимизация размеров антенны направлена на улучшение таких параметров, как коэффициент усиления, КСВ и ширина полосы пропускания. Современные методы включают:

• Использование резонансных структур: введение дополнительных витков или полос (например, слот-антенны) позволяет «укоротить» длину вибратора без потерь качества.
• Применение материалов с высокой диэлектрической проницаемостью: пластины из керамики высокой плотности (εr = 10–15) уменьшают габариты антенны до 40–50%, что важно при создании мобильных устройств.
• Многослойные конструкции и интеграция с корпусом: размещение антенного элемента внутри корпуса снижает общие размеры, позволяя улучшить качество связи благодаря защите от внешних помех.
• Тонкое согласование с приемопередатчиком: оптимизация согласующего устройства (LC-контуры, адаптеры) обеспечивает минимальный КСВ (обычно < 1,5) и максимальный КПД.

Известный факт — по данным исследований Nokia (2019), применение тонкопленочных диэлектриков и оптимизация размеров антенны снизили уровень помех на 25%, обеспечивая улучшение показателей скорости передачи данных на 15–20% в сетях LTE и 5G.
Также важен температурный фактор, так как размеры и геометрия антенны могут изменяться при экстремальных условиях, что ухудшает параметры связи. Нормативные требования ГОСТ 30805 включают обязательные испытания антенн при температурах от –40 °C до +85 °C с не более 5% отклонения характеристик.
Блок внимания:

Практические примеры и экспериментальные исследования влияния размеров антенн

Множество исследований подтверждают существенное влияние антенны на радиосигнал и качество связи в мультичастотных системах. Например, лабораторные испытания МГТУ им. Баумана в 2022 году показали, что при уменьшении длины вибратора на 20% без соответствующей настройки резонансной частоты КПД падает на 12–18%, что приводит к значительному ухудшению связи.
В практических системах сотовой связи и Wi-Fi антенны размером около 25 мм с резонансом на 2,4 ГГц показали стабильное значение коэффициента усиления около 3 дБи и КСВ 1,4–1,5. Использование мультичастотных антенн в современных смартфонах (Huawei Mate 40, Apple iPhone 13) демонстрирует эффект компромисса размеров: общая длина антенны в диапазоне 700 МГц — около 30 мм, при этом обеспечивается работа и на 2,4 ГГц, и на 5 ГГц в Wi-Fi.
Сравнение различных технологий показывает, что традиционные металлические диполи уступают по компактности встроенным PIFA и slot-антеннам, при этом последние выигрывают по качеству связи в ограниченном пространстве.
По ГОСТ Р 57174-2016, регламентирующему антенны для сотовых систем, размер приемных и передающих элементов должен учитывать планируемую радиусную зону покрытия и минимум 0,2λ — что при частоте 900 МГц соответствует 6,7 см.
Таким образом, снижение размеров антенн требует применения новых технологий и тщательного подхода к проектированию для сохранения качества передачи.

Заключение

Размеры антенны оказывают существенное влияние на качество связи в мультичастотных системах, определяя основные параметры радиоизлучения и прием информации. Выбор оптимальных габаритов и конструктивного решения особенно важен в условиях необходимости поддержки нескольких диапазонов частот. Современные методы проектирования, включая использование материалов с высокой диэлектрической постоянной, резонансных структур и цифрового моделирования, позволяют минимизировать размеры антенн без потери эффективности. Практические исследования подтверждают, что баланс между размерами антенны и связью является ключом к обеспечению высокой надежности и качества мультичастотных коммуникаций. Соблюдение нормативных требований и применение передовых технологий способствует успешной реализации сложных систем связи для различных областей применения.

Для углубленного изучения темы рекомендуем ознакомиться со следующими материалами:

• Smith J., Brown L. «Antenna Size Optimization in Multiband Communication Systems,» IEEE Transactions on Antennas and Propagation, 2022
• ГОСТ Р 30804-2014. Телекоммуникационные сети и системы. Требования к антеннам
• Приказ Минсвязи РФ №123 от 2020 г. «Технические требования к антеннам для мультичастотных систем»
• ETSI TS 137 302 V15.0.0 (2018-03) 5G NR; Base Station antenna requirements

Что еще ищут читатели