АНТЕННЫЕ СИСТЕМЫ МОБИЛЬНЫХ ТЕРМИНАЛОВ В СОТОВЫХ СЕТЯХ МОБИЛЬНОЙ СВЯЗИ. СОВРЕМЕННОЕ СОСТОЯНИЕ И ПЕРСПЕКТИВЫ РАЗВИТИЯ

1. Современное состояние антенн ms 3G и 4G

Как известно [1] 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

Стандарт	Используемые частотные диапазоны, MHz
UMTS (3G)	800, 850, 900, 1500, 1700, 1900, 2100
LTE (4G)	450, 700, 800, 850, 900, 1400, 1500, 1600, 1700, 1800, 1900, 2000, 2100, 2300, 2500, 2600, 3500, 3700

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 ε_r.

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 ε_r, 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 [7] 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%.

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

Планарная F-образная антенна (PIFA — Planar Inverted-F Antennas) — наиболее распространенная на сегодняшний день разновидность микрополосковой антенны [4]. Причина популярности антенн PIFA объясняется её рядом достоинств [2]:

• 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 [6].

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 [7], из которой следует, что направление главого максимума ортогонально плоскости антенны, а его ширина составляет порядка 60⁰.

Рис.2.2.Диаграмма направленности PIFA антенны

 

3. 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

 

4. 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 [11].

Таблица 4.1

Типовые микрополосковые антенны

Тип антенны	Диапазон частот, МГц	Входное сопротивление, Ом	Коэффициент усиления, dB
2G/3G/4G всенаправленная патч антенна	698-960, 1390-1435,1710-1990, 1755-2170,2400-2500, 2500-2700,3400-3600	50	-1.3
2G/3G/4GPIFA антенна	700-800, 824-896, 880-960, 1710-1880, 1850-1990, 1710-2170	50	-1.9
4G LTE MIMO 2*2 антенна	703-803, 824-894, 880-960, 1565-1612, 1710-1880, 1850-1990, 1920-2170, 2400-2500, 2500-2700, 3400-3600	50	-1.84

Рис. 4.1. Диаграмма направленности:

а) PIFA антенны,   б) всенаправленной патч антенны [11]

 

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.[schema type=»book» name=»АНТЕННЫЕ СИСТЕМЫ МОБИЛЬНЫХ ТЕРМИНАЛОВ В СОТОВЫХ СЕТЯХ МОБИЛЬНОЙ СВЯЗИ. СОВРЕМЕННОЕ СОСТОЯНИЕ И ПЕРСПЕКТИВЫ РАЗВИТИЯ» description=»В связи с развитием технологий мобильных терминалов (сотовые телефоны, смартфоны, планшеты, компьютеры с беспроводными модемами и т.д.) в стандартах UMTS (3G) и LTE (4G) большое внимание производителей этих устройств уделяется модернизации и разработке антенных систем. В настоящее время антенные системы МS (Mobile Station) технологически выполняются на основе микрополосковых линий сложной конфигурации, которые обеспечивают выполнение требований, предъявляемых современными стандартами связи. Для мобильных терминалов автомобильного, железнодорожного транспорта внедряются антенные системы MIMO, адаптивные антенные решетки, отвечающих современным техническим требованиям по устойчивому приему сигналов базовых станций. В работе проводится анализ существующих, и оценивается перспектива антенных систем мобильных терминалов 3G-4G поколений сотовой системы мобильной связи.» author=»Попов Валентин Иванович, Скуднов Владимир Алексеевич, Васильев Алексей Сергеевич» publisher=»БАСАРАНОВИЧ ЕКАТЕРИНА» pubdate=»2017-01-18″ edition=»ЕВРАЗИЙСКИЙ СОЮЗ УЧЕНЫХ_28.11.15_11(20)» ebook=»yes» ]