Методы выбора и расчета антенн для сотовых систем связи

Такие сигналы создают взаимные помехи, мешающие связи, а при определенных уровнях сигналов связь становится и вовсе невозможной. Если на экране телефона фиксируется сильный сигнал от базовой станции, а установить соединение не удается или удается, но речь все время пропадает, значит, вы столкнулись с "чужаками". В такой ситуации телефон не всегда способен выбрать другую частоту, поэтому если у вас телефон Nokia, то можно попытаться воспользоваться функцией "NetMonitor". При отсутствии в телефоне функции NetMonitor следует применить внешнюю направленную антенну с хорошей диаграммой направленности.

2. Методы расчета антенн для сотовых систем связи

Методика проведения расчетов антенн сотовых систем связи разнообразна. Расчет антенн производят как по формулам, теоретическим и практическим материалам, (методами сложных математических и физических расчётов.), так и с помощью современных программ по расчёту антенн.

При расчете электрической составляющей электромагнитного поля, создаваемой каждой из антенн, учитываются следующие параметры:

Р - мощность на входе антенно-фидерного тракта, Вт;

G - коэффициент усиления антенны, раз;

n - коэффициент потерь в антенно-фидерном тракте;

R - расстояние от центра раскрыва антенны до расчетной точки, м;

Fo - значение нормированной диаграммы направленности антенны в вертикальной плоскости;

Fg - значение нормированной диаграммы направленности антенны в горизонтальной плоскости;

К - коэффициент, учитывающий условия распространения радиоволн (принимается К=1);

Kg - коэффициент, учитывающий неравномерность диаграммы направленности антенны в горизонтальной плоскости (принимается Kg=1).

Расчет производится согласно заданным параметрам или исходным данным для расчёта.

Так же расчет и проектирование антенн возможно и с помощью специальных программ для расчета, проектирования, а так же моделирования антенн.

В настоящее время методы расчета антенн с помощью специальных программ наиболее точно, удобно и быстрее чем устарелыми методами (сложные математические и физические расчеты.)

Приведём несколько программ, которые используются для расчета антенн как для спутниковых систем, так и других видов антенн, таковыми являются:

MMANA-GAL (Антенный моделировщик-анализатор для профессионалов, рус.интерфейс - есть, FREE) Одна из самых распространенных программ для моделирования антенн.

Amateur Vertical & Dipole Antenna Calculator (JavaScript, рус.интерфейс - нет, FREE) Расчет в WEB-форме, используется JavaScript, присутствие только англоязычного интерфейса немного портит общую картину

Cubical Quad Antenna Calculator (JavaScript, рус.интерфейс - нет, FREE) Расчет в WEB-форме, используется JavaScript, присутствие только англоязычного интерфейса немного портит общую картину.

Amateur Beam Antenna Calculator Seven Element Yagi (JavaScript, рус.интерфейс - нет, FREE) Расчет в WEB-форме, используется JavaScript, присутствие только англоязычного интерфейса немного портит общую картину

Microsoft Visual Studio 2008 на языке программирования C++ - эта программа, которая выполняет расчет электрической составляющей электромагнитного поля, создаваемой каждой из антенн при проектировании антенн сотовых телефонов.

В качестве примера по выбору метода расчета антенн систем сотовой связи приведем интерфейс программы MANA-GAL.

2.1 MANA-GAL

MANA-GAL - одна из лучших программ для моделирования, расчета и анализа любых антенн

Основные характеристики моделировщика антенн MMANA.

1) Главная особенность программы - это единственный и бесплатный моделировщик метода мометнов (NEC) на русском языке.

2) Основа вычислительного ядра программы MININEC v.3.

3) Написана MMANA JE3HHT в 2000г на японском. Руccкая и английская версии, а также их развитие и дополнение - by DL2KQ в 2001...2002 г. антенна сотовая моделировщик

4) Что может программа:

- анализировать произвольный набор проводов в качестве антенны.

- рассчитывать все мыслимые параметры антенны.

5) Единый подход к расчету всех антенн обеспечивает корректность и универсальность.

6) Нарисовать антенну очень просто - мышкой в встроенном редакторе с интуитивно ясным интерфейсом.

7) Крайне полезная возможность автоматической оптимизации по множеству параметров и критериев.

8) Объем программа невелик (около 500 кБ вместе с большой библиотекой антенн).

Приведём основные протокола меню программы MANA-GAL.

На рисунках 14, 15, 16, 17 приведены, соответственно:

- вид антенны,

- вычисления антенны,

- диаграммы направленности антенны,

- геометрия антенны.

Рис. 14. Вид антенны.

Рис. 15. Вычисления антенны.

Рис.16. Диаграммы направленности антенны

Рис.17. Геометрия антенны

2.2 Microsoft Visual Studio

В качестве примера также рассмотрим метод численного электродинамического анализа микрополосковых антенн с помощью программы Microsoft Visual Studio 2008

Microsoft Visual Studio 2008 на языке программирования C++ - эта программа, которая выполняет расчет электрической составляющей электромагнитного поля, создаваемой каждой из антенн при проектировании антенн сотовых телефонов. Результаты, полученные в ходе проектирования, заносятся в протоколы и в дальнейшем используются при построении модели антенны. Основная часть процесса проектирования антенн сотовых телефонов основана на моделировании электромагнитных явлений на компьютере, используя в качестве начальных данных результаты, полученные на основе эскизных расчетов и соображений.

При создании модели необходимо помнить, что геометрия должна соответствовать реальному положению антенны во время работы, т.е. так, чтобы корпус находился в вертикальном положении (или под небольшим углом). В этом случае микрополосковая антенна находится в положении “на ребре”. Такое положение отличается от наиболее часто используемого при моделировании расположения антенны в горизонтальной плоскости XY, реализованной в программе «HPMomentum» и IE3D (фирма Zeland).

Метод моментов предполагает описание конструкции антенны в виде многослойной планарной конструкции. Слои, там где это необходимо, соединяются с помощью металлических перемычек VIA. Считается, что токи в этих перемычках имеют только вертикальную составляющую по оси Z. Используя известные функции Грина для элементарных металлических форм, на которую разбивается вся металлическая форма плоской антенны, программа решает систему уравнений, составленную на основании непрерывности полей на границах слоев.

Приведем пример расчета методом моментов в программе Microwave Office (MWO) микрополосковой patch

Популярная программа MWO проста в использовании, но имеет, к сожалению, ограниченные возможности для проектирования сотового телефона в корпусе. Другим примером коммерческой программы, реализующей метод моментов, является часть пакета HP ADS, программа HP Momentum.

Метод моментов также реализован в программеIE3D, и в этой программе имеются более широкие возможности, по сравнению с Momentum и MWO, для моделирования сотового телефона. Например, в программе IE3D имеется возможность создания корпуса антенны с вертикально расположенной спиральной антенной. Спиральная антенна разбивается на последовательность отрезков элементов, лежащих на своих плоскостях, и соединенные перемычками. В программе IE3D моделирование производится в частотной области.

Метод конечных элементов. В этом методе (Finite Element Method, FEM) все анализируемое пространство разбивается на конечные элементы, в соответствии с ожидаемой скоростью изменения поля. Формируется набор неизвестных (значения поля) на гранях конечных элементов, составляется система уравнений, которая решается в частотной области.

Одной из программ, которая рассчитывает СВЧ конструкции в трехмерном представлении, является программа HFSS. Эта программа совмещена с AutoCAD, поэтому рисование конструкции в ней аналогично черчению объектов в среде AutoCAD.

Заключение

В результате проделанной работы были рассмотрены основные виды антенн для систем сотовой связи, приведено их описание и основные параметры. Так же в работе рассмотрены методы расчета антенн систем сотовой связи.

Выбор антенны зависит от оператора, сигнал которого необходимо принять и усилить. Один и тот же оператор может работать в разных частотных диапазонах в черте города и за городом.

Как уже было сказано ранее, для решения задачи по улучшению приема сотовой связи используются две антенны - внешняя и внутренняя.

Внешние антенны устанавливаются снаружи здания. Чем выше установлена антенна, тем лучше сигнал связи можно получить.

Выделяют направленные и круговые антенны. Направленные антенны используются в условиях слабого сигнала, либо когда сигнал надо принять с определенной вышки связи сотового оператора. Круговые применяются для улучшения сигнала при движении на транспорте, например в автомобиле.

Современны программы , такие как MANA-GAL позволяют моделировать и рассчитывать антенны для систем сотовой связи и других видов связи.

Список литературы

1. Антенно-фидерные устройства и распространение радиоволн: Учебник для вузов / Под ред. Г. А. Ерохина. - М.: Радио и связь, 1996. - 352 с.

2. Горощеня, А. Б. Основы теории антенн [Текст]: Учеб. пособие / А. Б. Горощеня, И. В. Богачков; Институт радиоэлектроники, сервиса и диагностики. - Омск: Изд-во ПЦ «КАН», ИРСИД, 2004. - 116 с. - Библиогр.: с. 108-110. - 200 экз.

3. Л.Е.Варакин. Системы связи с шумоподобными сигналами.-М: Радио и связь, 1985.-384с.

Размещено на Allbest.ru