Особенности направленных и всенаправленных антенн для базовых станций

В современной телекоммуникационной инфраструктуре антенны базовых станций играют ключевую роль в обеспечении качества связи и покрытия территории. Выбор типа антенны значительно влияет на эффективность передачи сигнала, радиус действия и устойчивость сети. Особое внимание уделяется направленным и всенаправленным антеннам, каждая из которых имеет свои технические особенности и сферы применения.

Направленные антенны для базовых станций

Направленные антенны для базовых станций представляют собой устройства, которые концентрируют радиоволны в определённом направлении, что позволяет увеличить дальность связи и улучшить качество сигнала в целевой зоне. Основным преимуществом таких антенн является возможность фокусирования мощности излучения, благодаря чему достигается радиус действия направленных антенн, превосходящий параметры всенаправленных аналогов при тех же технических условиях.

Направленные антенны обычно изготавливаются с узконаправленной диаграммой направленности (направленным углом от 5° до 60°), что позволяет минимизировать интерференцию и шумы от соседних объектов и базовых станций. Размеры таких антенн зависят от частотного диапазона, но, например, для диапазона 1800 МГц типичные размеры панельной направленной антенны — около 1.2 x 0.3 метра. Конструкция может включать параболические отражатели, рупорные волноводы или фазированные решётки, обеспечивая усиление в пределах 15–20 дБ.

Типичные рабочие температуры для направленных антенн варьируются от -40°C до +55°C, что позволяет использовать их в различных климатических условиях, включая суровые зимы и жаркие лета. Производители, такие как Ericsson, Huawei, Nokia, указывают гарантийный срок эксплуатации антенн не менее 10 лет при условии правильной установки и обслуживания.

Типы антенн для базовых станций и их назначение

В зависимости от функционального назначения и условий эксплуатации, базовые станции оснащаются двумя основными типами антенн:

• Направленные антенны для базовых станций – применяются для обеспечения связи на большие расстояния или в условиях повышенной плотности абонентов. Они концентрируют сигнал в одном или нескольких секторах, что снижает интерференцию и повышает емкость сети.
• Всенаправленные антенны для базовых станций – используются для равномерного покрытия радиусом 360°, обеспечивая обслуживание абонентов во всех направлениях вокруг точки установки. Чаще всего применяются в условиях городских районов с равномерным распределением пользователей и на малых вышках.

Габариты всенаправленных антенн для диапазона 900-2100 МГц обычно составляют от 0.5 до 1 метра по высоте, а усиление равняется 2-8 дБи. Они устойчивы к ветровым нагрузкам до 36 м/с и обладают стандартной степенью защиты IP66 согласно ГОСТ Р МЭК 60529-2014.

Принцип работы направленных антенн и особенности их конструкции

Принцип работы направленной антенны базируется на фокусировке излучаемой энергии в строго заданном угловом секторе. Это достигается за счет точного взаимного расположения элементов антенны и использования рефлекторов, рупоров или фазированных массивов. В конструкции широко применяются параболические отражатели, плоские панельные структуры и линейные решетки, создающие узкий луч с усилением до 20 дБ.

Направленная антенна принцип работы основан на формировании диаграммы направленности с минимальными боковыми лепестками, что обеспечивает снижение помех и более эффективное использование частотного ресурса. Например, панельная направленная антенна с углом раскрыва 65° обеспечивает покрытие сектора радиусом до 5 км при мощности передатчика 40 Вт в диапазоне 2100 МГц.

Особенностью таких антенн является необходимость точного монтажа и регулировки наклона и направления усиления, что требует профессиональной подготовки технических специалистов. Необходимым условием эффективной работы также является защита элементов антенны от атмосферных воздействий и коррозии, что соответствует требованиям ГОСТ 14254-2015 по степени защиты корпусов.

Механизм работы всенаправленных антенн и области применения

Всенаправленная антенна принцип работы базируется на равномерном излучении радиоэнергии во всех вертикальных плоскостях, обеспечивая покрытие в круговом секторе на 360°. Обычно конструкция включает вертикальные вибраторы или кольцевые элементы, монтируемые на стойках или вышках.

Такие антенны имеют относительно небольшой коэффициент усиления, порядка 2-8 дБи, что ограничивает максимальный радиус действия всенаправленных антенн до 1-2 километров при типичной мощности базовых станций 20-40 Вт в диапазонах 900 и 1800 МГц. При этом покрытие является более однородным и подходит для зон с равномерным распределением клиентов, например, в условиях городского центра или на рынках.

Практические примеры использования подтверждают эффективность всенаправленных антенн в малых базовых станциях стандарта LTE femtocell, где требования к направленности минимальны, а приоритет – это стабильное покрытие в пределах жилых кварталов.

Сравнительный анализ эффективности направленных и всенаправленных антенн

Сопоставляя направленные Vs всенаправленные антенны, можно выделить несколько критичных технических и эксплуатационных аспектов:

Таким образом, выбор между этими типами антенн зависит от требований к покрытию, мощности и сложности сетевой структуры. Документ ГОСТ Р 57854-2017 рекомендует использовать направленные антенны для создания отдельных секторов в сетях 4G и 5G, в то время как всенаправленные чаще применяются в сетях малой мощности и для базовых станций начального уровня.

Критерии выбора анттенн для различных условий эксплуатации базовых станций

Рассматривая вопрос какая антенна лучше для базовой станции, нужно учитывать несколько ключевых факторов:

• Требуемый радиус покрытия: если зона покрытия свыше 5 км и необходима направленность сигнала, предпочтительны направленные антенны.
• Плотность пользователей: в зонах высокой плотности секторы с направленными антеннами позволяют оптимизировать распределение нагрузки.
• Топография местности: холмистая и лесистая территория требует использования антенн с высокой направленностью для преодоления препятствий.
• Климатические условия и требования к долговечности: температурный диапазон с учетом ГОСТ 15150-69, требование IP66 и выше по защите от влаги и пыли.
• Технические характеристики оборудования: коэффициент усиления, VSWR, входное сопротивление (50 Ом), максимальная мощность — должны соответствовать спецификациям базовой станции.

Согласно рекомендациям экспертов из Института радиотехники и электроники РАН, для стационарных базовых станций в городской среде выгоднее использовать направленные антенны характеристики которых оптимизированы под конкретный радиус и секторы, что повышает пропускную способность и качество сигнала.

Пример практического расчёта: при использовании панельной направленной антенны с усилением 18 дБ и мощностью передатчика 40 Вт в диапазоне 2100 МГц, радиус надёжного покрытие может достигать 7-8 км, тогда как всенаправленная антенна с усилением 4 дБ при той же мощности обеспечит покрытие не более 2 км.

При этом важно учитывать, что для сотовых сетей стандарта 5G, где предусмотрено множество малых базовых станций с покрытием в сотни метров, часто предпочтительны компактные всенаправленные антенны. Однако при организации магистральных сетей и узлов связи применяются сложные многосекторные направленные системы.

Таким образом, выбор антенны для базовой станции должен основываться на детальном анализе технических параметров, условий эксплуатации и требований сети связи, что подтверждено российскими нормативами и практическими рекомендациями ведущих производителей оборудования.

Чтобы расширить знания по теме, изучите следующие материалы:

• ITU-R Recommendations for Base Station Antennas
• ГОСТ 26361-84 Антенны и антенные устройства. Общие технические требования
• ETSI EN 300 113 V1.7.1 – Base Station Antenna Design Standards
• IEEE 802.11 Standards for Wireless Networking

Что еще ищут читатели