stat 2

Международная научная конференция "Излучение и рассеяние электромагнитных волн".
ИРЭМВ-2009, Таганрог, Россия.
АНТЕННА, УМЕНЬШАЮЩАЯ ЭФФЕКТ ФЕДИНГА В КАНАЛЕ С
МНОГОЛУЧЕВЫМ РАСПРОСТРАНЕНИЕМ СИГНАЛА
А.Н. Шаманов, В.Ф. Лось, С.И. Федотов, С.Ю. Заиконников
ОАО «Концерн радиостроения «Вега», ОАО «МНИИС»
Кутузовский пр. 34, 121170, Москва, Россия
Телефон: 8 499 2497983, Факс: 8 499 2497983, [email protected], [email protected]
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.
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
Международная научная конференция "Излучение и рассеяние электромагнитных волн".
ИРЭМВ-2009, Таганрог, Россия.
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 – Нволну (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 Wволновое 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
Еoe
5
λ
λ/2
3λ/2
Еoo
ХХ (W Zoe)
Нoe
Е- волна
Нoo
1
Н- волна
λ
λ/2
3λ/2
Рис.1
КЗ (W Zoо)
4
3
2
Рис.2
[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.
Международная научная конференция "Излучение и рассеяние электромагнитных волн".
ИРЭМВ-2009, Таганрог, Россия.
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].
deg
0
30
60
90
120
150
180
210
240
270
300
330
0
Amplitude, dB
-5
-10
4400MHz
2420MHz
-15
820MHz
540MHz
-20
Рис.4
Рис.3
deg
0
deg
0
30
60
90
120
150
180
210
240
270
300
330
30
60
90
120
150
180
210
240
270
300
330
0
Amplitude, -dB
0
Amplitude,-dB
-5
-5
-10
-10
4400MHz
4400MHz
2400MHz
-15
-15
2420MHz
820MHz
1200MHz
540MHz
-20
540MHz
-20
Рис.5
Рис.6
deg
0
30
60
90
120
150
180
210
240
270
300
330
0
Amplitude,-dB
-5
-10
4400MHz
-15
2400MHz
1200MHz
-20
540MHz
Рис.7
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
Международная научная конференция "Излучение и рассеяние электромагнитных волн".
ИРЭМВ-2009, Таганрог, Россия.
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;
КСВ
3
Металлический лист
Антенна
1- Волноводный рупор пл E
2,8
"2- Электр дип обычный"
2,6
3- Диполь 1
2,4
4-Диполь 2
2,2
Измеритель
КСВ
D=var.
Деревянный
стол
2
1,8
1,6
0.2m
1,4
1,2
D,sm
1
Рис. 8
1
3
5
7
9
11
13
15
17
19
21
23
25
27
29
31
Рис. 9
Литература:
1. Б.Я. Брунов, Л.М. Гольденберг и др. Теория электромагнитного поля. — М.-Л:
Госэнергоиздат.-1962г.
2. Марков Г. Т., Сазонов Д. М.
Антенны. — М.: Энергия. — 1975.
3. Бахрах Л.Д., Лось В.Ф., Шаманов А.Н СШП дипольная антенна. — Радиофизика и
радиоастрономия, т.7,
№4, декабрь 2004г.
4. Федоров Н.Н. Основы электродинамики. — М., Высшая школа,1980г.
33
35