Антенна, уменьшающая эффект фединга в канале с многолучевым распространением сигнала

, ,

радиостроения «Вега»,

Кутузовский пр. 34, Москва, Россия

Телефон: 8 , Факс: 8 , *****@***su, *****@***su

Представлены результаты исследования характеристик малогабаритной сверхширокополосной дипольной антенны для мобильной связи с отношением верхней частоты к нижней в рабочей полосе 10:1. Конструкция этой антенны обеспечивает уменьшение эффекта фединга при работе с одной антенной в радиоканалах с многолучевым распространением, т. е. без традиционного приема сигнала с помощью нескольких пространственно разнесенных или различающихся направлением поляризации антенн.

Одна из основных проблем при построении систем радиосвязи в условиях городской застройки и внутри производственных зданий связана с обеспечением передачи информации по радиоканалу с минимальным числом ошибок, основным источником которых является интерференция или фединг сигналов, приходящих в точку приёма разными путями.

В указанных условиях возможное пространственное распределение амплитуд интерференционной картины имеет трудно предсказуемый заранее характер, особенно в динамических ситуациях – при перемещениях в пространстве приемной или передающей антенн. Это обстоятельство делает практически невозможной компенсацию эффектов ослабления сигнала в зонах интерференционных минимумов при использовании традиционных антенн мобильной радиосвязи.

Ясно также, что традиционные способы решения данной проблемы, а именно оперативная смена частот связи, пространственное разнесение приёмных антенн, использование приёмных антенн с разной поляризацией не пригодны в рассматриваемых приложениях.

НЕ нашли? Не то? Что вы ищете?

Из общей теории электромагнитного поля известно, что области минимумов интерференционной картины в случаях многолучевого распространения для полей E и H не совпадают в пространстве. Поэтому можно ожидать, что антенна, способная одновременно излучать (принимать) энергию электромагнитных волн с ортогональными направлениями поляризации, будет менее подвержена влиянию эффекта интерференционного ослабления поля в точках приёма, чем антенна, принимающая электромагнитную волну одной поляризации.

В отличие от бегущих волн, в которых составляющие Е и Н колеблются в фазе, в стоячей волне суммарная электрическая Е и магнитная Н составляющие сдвинуты по фазе на 900, в результате чего суммарный поток энергии в такой волне равен нулю.

Явления фединга можно существенно ослабить, если в плечах антенны возбуждать токи, порождающие на поверхности излучающих плеч диполя электромагнитное поле, в котором вектор электрического поля E и вектор магнитного поля H на поверхности вибратора колеблются синфазно [1,2].

В этом случае диполь будет принимать (излучать) полное электромагнитное поле с Е-волной и Н-волной, что должно приводить, как сказано выше, к значительному снижению чувствительности антенны к эффектам замирания сигнала за счёт интерференции

Известные антенны мобильных средств радиосвязи не обладают указанным свойством, в силу заложенных в их конструкцию граничных условий на поверхности таких антенн, например, электрический диполь с граничными условиями холостого хода, излучает Е-волну, магнитный диполь с граничными условиями короткого замыкания – Н-волну (рис. 1).

Желаемое свойство излучения двух независимых ортогональных волновых структур может быть достигнуто с помощью диполя, показанного на рис.2, который имеет согласующую и фазосдвигающую часть - узел 1. При этом в линии питания 2 антенны, с отдельными проводниками 3 и 4, возникают волновые колебания, присущие связанной линии: четные и нечетные моды [3].

Четные и нечетные колебания являются независимыми колебаниями с волновыми сопротивлениями Zoe и Zoo, которые удовлетворяют соотношению Zoo >W> Zoe, где W - волновое сопротивление свободного пространства.


При возбуждении антенны четной и нечетной модами на её поверхности 5 (рис.2) одновременно возникают две независимые волновые моды: Е-волна с парой векторов Eoe^Hoe, при условии W> Zoe, и Н-волна с парой векторов Eoo^Hoо, при условии W<Zoo, (рис.1). В режиме передачи на поверхности плеч диполя создаётся полное электромагнитное поле: вектор электрического Eoe (магнитного Hoe) поля E-волны и вектор магнитного Hoо (электрического Eoo) поля H-волны которые колеблются синфазно [1], [4].

Таким образом, в предложенном антенном диполе в результате суперпозиции полей чётной и нечётной мод в пространстве уже в непосредственной близости от антенны, ортогональные электромагнитные поля, образуют режим бегущей волны электромагнитного поля и потому отсутствует область с запасённой реактивной энергией.

Это обстоятельство способствует сохранению входного импеданса антенны в очень широкой полосе частот. Частотная характеристика КСВ такой антенны: электрического диполя, с размером плеч (50х10)мм., приведена на рис.3.

Особенность электромагнитных полей диполя отражается на характеристиках ДН. Они отличны от слабонаправленных ДН обычного диполя и имеют как явно выраженные компоненты обеих поляризаций, так и более резкую угловую зависимость.

На рис. 4 и рис. 5 представлены характеристики ДН электрического диполя, размер плеч (80х20)мм., в меридиональной плоскости для двух поляризаций: поляризации вектора Е вдоль оси и перпендикулярно оси.

На рис. 6 и рис. 7 представлены характеристики ДН магнитного (петлевого, Д=260мм) диполя для двух поляризаций [3].

Описание экспериментального исследования.

Для проверки вышеприведенных соображений был изготовлен образец дипольной антенны с описанной схемой возбуждения и проведено сравнение расчётных и экспериментальных результатов. В данном кратком сообщении приведены расчётная и измеренная зависимости от частоты КСВН предложенной антенны. На рис.8 показана схема измерения КСВ антенн при изменении расстояния между антенной и алюминиевым металлическим листом размером 50х50см.

Суть измерения состоит в том, что между антенной и металлическим листом образуется стоячая волна, имеющая четкую интерференционную картину, возникающую при сложении прямой и отраженной волн. Измерения проводились на частоте 2420MHz.

На рис.9 представлены зависимости КСВ при изменении расстояния D между антенной и металлическим листом для волноводного рупора 1 с размером апертуры (80х35)мм и обычного классического электрического диполя 2, характерные при интерференции, фединге.

Были проведены эксперименты с новыми (рис.2) дипольными антеннами: с электрическим диполем, размер плеч (50х10) мм, диполь 1, его частотная характеристика КСВ представлена на рис.3, и с магнитным (петлевым) диполем, диполь 2.

Для этих антенн характеристики КСВ, представленные на рис.9 имеют очень малые изменения амплитуды КСВ. Это говорит о том, что между антенной и стенкой образуется бегущая волна, то есть отсутствует интерференция поля.

Выводы:

·  На поверхности диполя могут быть созданы условия для возникновения двух независимых ортогональных волновых структур: Е - и Н - волн, образующих полное волновое поле.

·  С помощью одной антенны решена основная проблема многолучевого распространения радиоволн – проблема ослабления, фединга, из-за интерференции сигнала;

Литература:

1.  , и др. Теория электромагнитного поля. — М.-Л: Госэнергоиздат.-1962г.

2.  , Сазонов . — М.: Энергия. — 1975.

3.  , , Н СШП дипольная антенна. — Радиофизика и радиоастрономия, т.7, №4, декабрь 2004г.

4.  Н. Основы электродинамики. — М., Высшая школа,1980г.