АНАЛИЗ ПАРАМЕТРОВ АНТЕНН РАДИОРЕЛЕЙНЫХ СТАНЦИЙ Е-ДИАПАЗОНА НА ОСНОВЕ ОДНОРОДНЫХ РАДИОЛИНЗ

Необходимость передачи больших объемов данных на короткие (до 3-7 км) расстояния по каналам систем беспроводного доступа определяет роль и место радиорелейных станций (РРС) миллиметрового диапазона как средств связи с высокой пропускной способностью и эксплуатируемых на основе простого юридического оформления использования ресурсов радиоканала. РРС миллиметрового диапазона представляют собой сравнительно недорогую альтернативу волоконно-оптическим линиям связи (ВОЛС). Они оперативно развертываются и не требуют наличия кабельной канализации. Такие решения используются для широкого круга задач, например, в качестве беспроводной вставки в ВОЛС для преодоления естественных и искусственных препятствий, не позволяющих проложить оптический кабель: водных преград, железнодорожных путей, автомагистралей, исторических зданий, памятников в городе [1]. Они эффективны для построения распределительных сетей для инфраструктур сотовой связи 4G/LTE/5G, быстрого развертывания временных линий связи, резервирования высокоскоростных оптических каналов и колец (рис. 1) [1-3].

Радиорелейные станции миллиметрового диапазона могут применяться для построения как локальных вычислительных, так и корпоративных сетей.

15 июля 2010 г. было принято решение ГКРЧ, в соответствии с которым введен уведомительный порядок регистрации РРС диапазонов 71–76/81–86 ГГц. 20 декабря 2011 г. аналогичное решение было принято в отношении диапазона 58,25–63,25 ГГц [4]. Использование этих диапазонов представляется обоснованным с учетом того, что создать помехи в этих диапазонах сложно: узкие диаграммы направленности (ДН) антенн и большое затухание радиосигнала делают помехи маловероятными.

Диапазон 71–76/81–86 ГГц, называемый Е-диапазоном, в большинстве стран относится к диапазонам с упрощенным порядком лицензирования. Затухание в молекулах кислорода и водяных парах значительно меньше, чем в диапазоне 60 ГГц, типовое значение дальности находится в пределах от 3 до 7 км при гигабитных скоростях в радиоканале. Для работы в этом диапазоне выпускается достаточно разнообразное оборудование радиорелейной связи [1, 3], преимущественно зарубежного производства, основные характеристики которого представлены в таблице 1.

Таблица 1 – ТТХ зарубежных и отечественных РРС Е- диапазона

Диапазон 92–94 ГГц и 94,1–95 ГГц пока недостаточно освоен. Затухание сигнала такое же, как в Е- диапазоне. Каких-либо особых преимуществ по сравнению с диапазоном 71–76/81–86 ГГц он не имеет [4].

В качестве антенных систем РРС Е- диапазона используются параболические антенны, в том числе двухзеркальные, выполненные по схеме Кассегрена, с диаметрами апертуры 0.3 м, 0.45 м и 0.6 м, обеспечивающими ширину диаграммы направленности (ШДН) по уровню половинной мощности, равную одному градусу.

Зависимость коэффициента усиления антенн радиорелейных станций Е- диапазона (71-76 ГГц) от протяженности интервала, рассчитанная по известной формуле Фрииса [5], с учетом типовых характеристик модемного оборудования современных РРС, представлена на рисунке 2, где обозначены: Ga – коэффициент усиления антенны, PT – мощность на выходе передающего устройства, PR – чувствительность приемника, ΔFКАН - максимальная ширина канала, BER – вероятность ошибки принимаемого цифрового сигнала.

Альтернативой зеркальным антеннам в миллиметровом диапазоне волн могут быть линзовые антенные системы, которые отличаются простотой конструкции, широкими возможностями формирования диаграмм направленности (ДН) различного вида и постоянством характеристик в относительно широком диапазоне частот.

Линзовая антенна в общем случае состоит из облучателя и радиолинзы. Облучатель должен иметь фазовый центр, совпадающий с фокусом линзы, и формировать ДН, обеспечивающую требуемое амплитудное распределение на излучающей поверхности и минимум потерь энергии на "переливание" за края линзы [6].

При расчете осесимметричной радиолинзы известным считается ее диаметр D, который определяют по заданной ШДН по формуле [7]:

Расчеты диаметра линзовой антенны в соответствии с (1) для Е-диапазона, показывают, что его максимальное значение не превышает 29–30 см, в то время как у зеркальных систем этот параметр соответствует минимальным размерам поверхности рефлектора для рассматриваемого диапазона частот.

Последнее обстоятельство позволяет предположить, что при использовании однородных (гомогенных) радиолинз в качестве антенн радиорелейных линий Е-диапазона при одинаковой протяженности интервала, мощности передающего устройства, чувствительности приемника, ширине канала передачи данных и модуляции, по сравнению с антеннами зеркального типа, возможно оснащение РРС антенно-фидерными устройствами с меньшими габаритными размерами, массой и требованиями к точности изготовления поверхности антенны.

Важным достоинством обычных радиолинз из однородного диэлектрика является простота их конструкции. Линзу изготавливают из блока – диэлектрика, профили ее поверхности обрабатывают на обычных станках. При этом при производстве применяют диэлектрические материалы с высокой неоднородностью: наличие неоднородностей приводит к рассеянию энергии внутри линзы и возрастанию уровня боковых лепестков ДН. Другое преимущество гомогенных радиолинз – независимость диэлектрической проницаемости диэлектрика от частоты в широком диапазоне. Благодаря этому линзовые антенны относят к одним из самых широкополосных.

Радиолинзы с одной преломляющей поверхностью, имеющей форму эллипса, перераспределяют энергию в раскрыве, увеличивая к краям раскрыва амплитудное распределение, и тем самым компенсируют спадание мощности к краям у облучателя. В раскрыве однородной линзы можно получить поле, близкое к равномерному, что обеспечивает максимальное значение коэффициента усиления антенны.

Таким образом, для количественной оценки параметров антенной системы радиорелейных станций Е- диапазона на основе однородных радиолинз необходимо проведение электродинамического моделирования с использованием современных САПР, таких как FEKO, CST Studio, HFSS, в процессе которого возможна более точная оценка самих значений характеристик диаграммы направленности и влияния геометрических размеров и диэлектрических свойств линзы на параметры характеристики направленности антенны.

Список литературы

1.       Авдеев  С.М.  и  др.  Линзовые  антенны  с  электрически  управляемыми  диаграммами направленности / С.М. Авдеев, Н.А. Бей, А.Н. Морозов. – М.: Радио и связь, 1987. – 128 с.

2. Жук М.С., Молочков Ю.Б. Проектирование линзовых, сканирующих, широкодиапазонных антенн и фидерных устройств. – М.: Энергия, 1973. – 439 с.

3. Писарев Ю.А. Гигабитные радиорелейные станции диапазона 80 ГГц // Журнал сетевых решений. Электронный ресурс. URL: http://www.osp.ru/telecom/2012/03/13014193 (дата обращения 30.10.2017).

4.            Радиомост   ДОК,        71-76/81-86        ГГц,        1250        Мбит/с.        Электронный        ресурс:https://shop.nag.ru/catalog/archive/07394.RRS-1000-7176-8186 (дата обращения 30.10.2017).

5.              РРЛ  как    стратегический        элемент         сети.         Электронный         ресурс.         URL: http://www.telekomza.ru/2012/05/31/rrl-kak-strategicheskij-element-seti (дата обращения 31.10.2017).

6.    Р. Уоллес. Максимальная дальность связи по радиоканалу в системе: как этого добиться? // Новости     электроники.      –      2015.      №      11.      –      С.      3-13.      Электронный      ресурс.      URL: https://www.terraelectronica.ru/files/news/NE_2015_11_3.pdf (дата обращения 02.11.2017).

7. The world's highest powered, lowest latency 70 & 80 GHz millimeter wave backhaul radios. Электронный ресурс. URL: http://www.lightpointe.com/70---80-ghz.html (дата обращения 31.10.2017).