Полоса пропускания (прозрачности) — диапазон частот, в пределах которого амплитудно-частотная характеристика (АЧХ) акустического, радиотехнического, оптического или механического устройства достаточно равномерна для того, чтобы обеспечить передачу сигнала без существенного искажения его формы. Так же называется эффективно передаваемой полосой частот (ЭППЧ). В ЭППЧ сосредоточена основная энергия сигнала (не менее 90%). Этот диапазон частот устанавливается для каждого сигнала экспериментально в соответствии с требованиями качества. Основные параметры, которые характеризуют полосу пропускания частот — это ширина полосы пропускания и неравномерность АЧХ в пределах полосы. Ширина полосы обычно определяется как разность верхней и нижней граничных частот участка АЧХ, на котором амплитуда колебаний 1/2 максимальной. Этот уровень приблизительно соответствует −3 дБ. Ширина полосы пропускания выражается в единицах частоты (например, в Гц). Расширение полосы пропускания позволяет передать большее количество информации.

Рисунок 3.1 — Ширина полосы

Неравномерность АЧХ характеризует степень её отклонения от прямой, параллельной оси частот. Неравномерность АЧХ выражается в децибелах. Ослабление неравномерности АЧХ в полосе улучшает воспроизведение формы передаваемого сигнала.

Другое по теме:

Программирование микроконтроллеров
Актуальность темы. Микроконтроллеры используются во всех сферах жизнедеятельности человека, устройствах, которые окружают его. Простота подключения и большие функциональные возможности. С помощью программирования микроконтроллера можно решить мн …

1. Современное состояние антенн ms 3G и 4G

Как известно сложные условия распространения радиоволн в системах сотовой мобильной связи связанны с их поглощением, многократным отражением и рассеянием. В этих случаях закономерности, справедливые для условий прямой видимости (LOS, Line of Sight), больше не работают. Свойства встроенных в мобильные терминалы (мобильные станции — MS (Mobile Station)) антенн напрямую зависят от статистических характеристик окружающей среды и расположения работающего терминала относительно пространественного положения пользователя. Поэтому при проектировании антенн MS в системах мобильной связи стандартов UMTS и LTE в диапазонах частот от 450 до 3700 MHz (таблица 1), важно учитывать все вышеизложенные факторы.

Таблица 1.

Распределение частотных диапазонов в стандартах UMTS и LTE

К основным требованиям, предъявляемых к антеннам современных MS можно отнести:

• малые размеры,
• большая полоса рабочих частот;
• высокий коэффициент усиления;
• высокая эффективность передачи и приема радиоволн при различной пространственной ориентации;
• малый уровень вредного электромагнитного излучения;

• высокие механические и температурные свойства.

Антенны для MS можно разделить на два вида: встроенные и подключаемые.

Среди встроенных антенн различают: внутренние, внешние штыревые и внешние выдвижные.

Для систем мобильной связи 3G-4G целесообразно рассматривать только встроенные внутренние антенны.

Внутренние антенны, как правило, направленные антенны. Главный лепесток направленности излучения антенны устремлен в противоположную сторону от головы разговаривающего по MS человека. Прикрывать антенну рукой при разговоре нежелательно— это ведет к ухудшению условий связи и, как следствие, повышению мощности передатчика, ускоренному расходу заряда батареи и усиленному облучению тела абонента.

Современные внутренние антенны реализуются в виде плоской микрополосковой антенны (патч антенны – patch antenna) или планарной инвертируемой микрополосковой антенны (PIFA — Planar Inverted-F Antennas).

1. 1. Плоские микрополосковые антенны

Микрополосковая антенна представляет собой плоский металлический проводник, расположенный над заземленной подложкой. При этом патч антенна (рис.1), как правило, выполняется в виде печатной платы, имеет длину L, ширину W, и расположена на верхней части диэлектрической подложки с относительной диэлектрической проницаемостью εr.

Рис.1.1. Конструкция микрополосковой (патч) антенны

Микрополосковая линия передачи и заземление выполняются из металла высокой проводимости (обычно меди). Толщина подложки h значительно меньше рабочей длины волны λ (1).

, (1.1)

Толщина металла микрополосковой антенны и заземления не является критически важной.

Распределение электрической составляющей между патч антенной и заземлением в определенный момент времени показана на рис.1.2. Изменение Е(t) приводит к излучению (или приему) электромагнитного поля в пространстве, окружающем антенну.

Рис.1.2. Электромагнитное поле в микрополосковой антенне

Центральную рабочую частоту f0 такой антенны можно найти из приближенного уравнения:

, (1.2)

При варьировании величины L и диэлектрической проницаемости подложки εr, появляется возможность изменения рабочей частоты и условий излучения.

Из уравнения (1.2) следует, что длина микрополосковой антенны L должна быть порядка половины длины электромагнитной волны, распространяющейся в среде диэлектрической подложки (1.3):

, (1.3)

Ширина W микрополосковой антенны определяется из уравнения (1.4) и влияет на входное сопротивление и пропускную способность антенны:

, (1.4)

Для квадратной антенны входной импеданс может составить порядка 300 Ом. При увеличении ширины, входное сопротивление может быть уменьшено, а пропускная способность увеличена. Однако, чтобы уменьшить входное сопротивление до 50 Ом, часто требуется достаточно большая ширина антенны, которая может занимать много места в MS.

Электромагнитное поле (ЭМП) патч антенн линейно поляризованное, при этом диаграмма направленности в зависимости от угловой азимутальной координаты φ имеет вид, показанный на рис.1.3. Коэфициент усиления патч антенн находится в пределах 7-10 dB.

Рис.1.3. Пример диаграмм направленностей прямоугольных патч антенн

Прямоугольные плоские антенны узкополосны, при этом их полоса пропускания, как правило, не превышает 3%.

1. 2. Планарные F-образные антенны (PIFA)

Планарная F-образная антенна (PIFA — Planar Inverted-F Antennas) — наиболее распространенная на сегодняшний день разновидность микрополосковой антенны . Причина популярности антенн PIFA объясняется её рядом достоинств :

• широкая полоса рабочих частот (до 10% от резонансной частоты);
• малые габариты и поддержка многодиапазонности;
• относительно высокое усиление как в вертикальной, так и в горизонтальной плоскостях поляризации.

Конструкция антенны типа PIFA показана на рис. 2.1.

Рис.2.1.Конструкция планарной F-образной антенны

Электрические характеристики PIFA антенны зависят от размеров верхней излучающей пластины, соотношения длин ее сторон L1 и L2, высоты этой пластины над экраном H, размера вертикальной заземляющей стенки W и расположения точки запитки антенны.

Небольшие габариты антенны PIFA характеризуются тем, что ее резонансная частота f0, определяемая из уравнения (2.1), примерно равна полупериметру горизонтальной излучающей пластины.

, (2.1)

Следует отметить, что резонансная длина волны завистит от размеров конструкции антенны и вычисляется по формулам приведенным в таблице 2.1 .

Таблица 2.1.

Формулы для расчета резонансной частоты антенны PIFA

При совпадения ширины вертикальной заземляющей пластины W и длины стороны L2 контактирующего с ней планарного элемента,обеспечивается наибольшая полоса пропускания PIFA антенны. Кроме того, ширина вертикального элемента влияет на поляризацию излучения/приема.

В качестве примера, на рис.2.2. показана диаграмма направленности однодиапазонной PIFA антенны , из которой следует, что направление главого максимума ортогонально плоскости антенны, а его ширина составляет порядка 600.

Рис.2.2.Диаграмма направленности PIFA антенны

1. Адаптивные (смарт) антенны

Идеи, удачно реализованные в ходе разработки сложных адаптивных антенн для базовых станций сотовых телефонов, нашли применение и для создания интеллектуальных антенных систем в аппаратуре мобильных терминалов в сети четвертого поколения. В настоящее время в современных устройствах MS могут применяются два новых типа антенн: адаптивные антенны и антенны MIMO (multi-input, multi-output).

Принцип работы адаптивных антенн заключается в возможности изменения параметров и характеристик антенны, в частности, в управлении диаграммой направленности. Адаптивные антенны можно разделить на антенны с переключаемыми лучами и адаптивные антенные решетки.

Антенна с переключаемыми лучами — это система, состоящая из излучателей с фиксированной диаграммой направленности. Для обеспечения наилучшего сигнала выбирается определённый луч, как это показано на рис.3.1а, что позволяет увеличить или уменьшить усиление по обстоятельствам, но только в направлениях, где лучи существуют.

Рис.3.1.Настраиваемые диаграммы направленности адаптивных антенн

Адаптивная антенная решетка — смарт антенна, позволяющая динамически изменять характеристики антенны за счёт использования фазовращателей, аттенюаторов и усилителей (рис.3.2). Управление элементами антенны происходит через процессор, анализирующий внешние и внутренние факторы, что позволяет сформировать луч ДН в нужном направлении для обеспечения наилучшего сигнала с минимальным уровнем помех.

Рис.3.2.Схема реализации адаптивной антенной решетки

Технология MIMO (Multiple-Input-Multiple-Output) реализуется на основе использования несколькольких антенн для передачи и приема информации. Такой подход позволяет не только повысить надежность передачи (за счет использования всеми антеннами общего канала (рис.3.3.)), но и увеличить пропускную способность всего тракта. В настоящее время данная технология активно используется в антенных системах модемов и беспроводных маршрутизаторов.

Рис.3.3. MIMO антенна с M-передатчиками и N-приемниками

1. параметры современных типовых антенн MS

В настоящий время широкое распространение получили микрополосковые антенны, выполненные по технологии печатных плат. Среди преимуществ данной технологии достаточно хорошие характеристики направленности, компактные размеры, простота установки в различные устройства при невысокой стоимости производства,. В таблице 4.1 представлены типовые микрополосковые антенны MS 2G/3G/4G, доступные на рынке телекоммуникаций, а на рис. 4.1 изображены их диаграммы направленности .

Таблица 4.1

Типовые микрополосковые антенны

Рис. 4.1. Диаграмма направленности:

а) PIFA антенны, б) всенаправленной патч антенны

Перспективы развития антенных систем мобильных терминалов

Перспективным направлением исследований в разработке антенн мобильных терминалов являются вопросы увеличения скорости передачи данных и улучшения надежности работы при сохранении текущих размеров конечных устройств.

Основной задачей в данной области является разработка адаптивных многолучевых антенн и антенных систем с применением технологии MIMO для мобильных терминалов. Антенны MIMO уже применяются в ряде планшетных компьютеров (к примеру, Apple iPad Air) и в дальнейшем ожидается рост импользования этих систем в сегменте мобильных устройств.

Основная задача инженеров, работающих над адаптацией антенн с переключаемыми лучами и адаптивных антенных решеток для мобильных терминалов, заключается в уменьшении размеров самих антенных систем. Это становится возможным с применением ключей на базе микроэлектромеханических систем (MEMS переключатели), обладающих малыми потерями в диапазоне сверхвысокочастотного излучения.

Выводы

В работе рассмотрены наиболее широко используемые антенны мобильных терминалов третьего и четвертого поколений сотовой мобильной связи. Приведены их основные параметры и технологическая реализация. Оцениваются перспективы развития таких антенн для применения в 3G-4G поколений и последующих стандартах мобильной связи.

Литература

1. Попов В.И. Основы сотовой связи стандарта GSM. Москва: Эко-Трендз, 2005, 296 с.
2. Слюсар В. Антенны PIFA для мобильных средств связи. Электроника: НТБ, 1/2007, 64-74 с., 2007.
3. Fujimoto K., James J.R. Mobile Antenna Systems Handbook. London: Artech. House, Inc., 1994, 710 p.
4. Fujimoto K., Morishita H. Modern Small Antennas. New York: Cambridge University Press, 2014, 473 p.
5. Gibson J.D. The Mobile Communication Handbook. New York: IEEE Press, 1999
6. Huynh M.C. A Numerical and Experimental Investigation of Planar Inverted-F Antennas for Wireless Communication Applications, Master thesis, Virginia Polytechnic Institute and State University, Blacksburg, USA, 2000, 123 p.
7. Milligan T.A. Modern Antenna Design, second edition. Hoboken: John Wiley&Sons, Inc., 2005, 614 p.
8. Pinho P., Rocha Pereira J.F. Optimization of a PIFA Antenna Using Genetic Algorithms, in Proceedings of the 3rd Conference on Telecommunications (ConfTele 2001), 2001
9. Popovs V. GSM standarta šūnu mobile sakaru sistēmas. Projektēšanas problēmas. Rīga: RTU Izdevniecība, 2003, 362 lpp.
10. Siwiak K. Radio wave Propagation and Antennas for Personal Communications.London: Artech House, Inc., 1998, 418 p.
11. Wong Kin-Lu. Planar Antennas for Wireless Communications. New York: Wiley-Inter Science, 2003, 301 p.
12. Zhang Z. Antenna Design for Mobile Devices. Wiley-IEEE Press, 2011, 304 p.