Перспективное двухдиапазонное антенно-фидерное устройство для радиоцентра подвижной УКВ радиосвязи..
КОСТЫЧЕВ Александр Николаевич,
КРЮЧКОВ Игорь Борисович,
ПУГАЧЕВ Владимир Анатольевич.
ПЕРСПЕКТИВНОЕ ДВУХДИАПАЗОННОЕ АНТЕННО-ФИДЕРНОЕ УСТРОЙСТВО ДЛЯ РАДИОЦЕНТРА ПОДВИЖНОЙ УКВ РАДИОСВЯЗИ
В данной статье рассматриваются общие принципы построения и технические решения перспективных двухдиапазонных антенно-фидерных устройств (АФУ), предназначенных для городских или вынесенных радиоцентров систем подвижной УКВ радиосвязи и обеспечивающих одновременную независимую работу нескольких приемо-передатчиков в двух выделенных диапазонах частот, условно обозначенных диапазон “1” и диапазон “2”. Приводятся технические характеристики, конструкция и работа устройства, а также его составных частей.
Системы подвижной УКВ радиосвязи чаще всего предусматривают возможность работы в двух выделенных диапазонах частот, причем значения частот выбираются кратными, например, диапазоны 450 – 470 МГц и 915 – 921 МГц в стандарте системы транкинговой связи TETRA. В этих условиях целесообразно использование двухдиапазонных АФУ с круговой или узконаправленной диаграммой. Расчеты показывают, что применение таких АФУ дает значительный экономический эффект за счет снижения затрат на изготовление изделия (одно универсальное вместо двух), стоимости проектно-монтажных работ и дальнейшего технического обслуживания изделия.
Применение двухдиапазонного антенно-фидерного устройства (АФУ) оказывается существенно более выгодным в технико-экономическом отношении, чем применение отдельных АФУ, поскольку многие блоки являются совмещенными и используются одновременно в обоих диапазонах частот. В частности, имеется всего одна антенная решетка, которая легче и занимает меньше места на опоре, чем две антенны на разные диапазоны при аналогичных электрических характеристиках. По этой же причине целесообразно использовать двухдиапазонное АФУ и в тех случаях, когда в настоящее время на данном радиоцентре используется оборудование только одного из диапазонов, но в перспективе предполагаются оба диапазона.
При достаточной густоте сети автомобильных дорог (например, в городах), когда азимут корреспондента может быть произвольным, требуется ненаправленное излучение (прием), и антенна АФУ центральной станции должна обеспечивать диаграмму направленности (ДН) в горизонтальной плоскости, близкую к круговой (с той или иной неравномерностью). Формирование круговой ДН в многоканальном АФУ обеспечивается применением кольцевой антенной решетки (КАР), число излучателей которой (в пределах одного этажа) расположены равномерно вдоль окружности определенного радиуса и возбуждаются посредством диаграммо-образующей схемы (ДОС). В качестве последней целесообразно использовать так называемую матрицу Батлера (МБ), представляющую собой систему квадратурных мостов, соединенных между собой посредством коаксиальных кабелей определенной длины, которые обеспечивают необходимые фазовые сдвиги. В рассматриваемом здесь АФУ в качестве мостов использованы направленные ответвители (НО) с переходным ослаблением 3 дБ (на рабочих частотах).
При незначительной густоте сети дорог, когда требуется устанавливать связь в некоторых, вполне определенных направлениях, ненаправленное излучение (прием) оказывается избыточным, тогда как применение направленных антенн позволяет существенно увеличить КНД за счет сжатия ДН в горизонтальной плоскости, благодаря чему можно уменьшить число этажей (при той же дальности связи), т.е. значительно улучшить массо-габаритные показатели и снизить стоимость. В этих случаях целесообразно применять антенны с переключаемыми (коммутируемыми) секторными ДН, совокупность которых перекрывает все направления (азимуты), поскольку это делает АФУ более универсальным (по сравнению с АФУ с фиксированной направленной ДН, например, в районах с пересечениями дорог), способным адаптироваться к обстановке.
В данной статье рассмотрим кратко основные проблемы, которые приходится решать при создании двухдиапазонного многоканального АФУ с круговой ДН.
Как показывают расчеты, неравномерность круговой ДН КАР с матрицей Батлера возрастает с увеличением радиуса КАР и с увеличением числа излучателей. Здесь необходимо отметить, что радиус КАР ограничен взаимной связью между излучателями, которая проявляется в зависимости входного сопротивления излучателей от их количества. При слишком малых радиусах КАР значительно возрастают потери мощности из-за рассогласования излучателей.
Это существенно затрудняет создание двухдиапазонного АФУ с круговой ДН в горизонтальной плоскости, поскольку электрический радиус КАР в разных диапазонах изменяется примерно вдвое (в данном случае), что приводит к противоречию между необходимостью минимизации взаимной связи между излучателями в диапазоне “1” и обеспечением ДН с малой неравномерностью (для достаточного числа входов матрицы Батлера) в диапазоне “2”.
При переходе от диапазона “1” к диапазону “2” примерно вдвое возрастает электрическое расстояние между вибратором и опорой (рефлектором), что влияет на ДН в вертикальной плоскости и на входное сопротивление. Увеличение этого расстояния (от l /4 и более, l – длина волны) вызывает искажение ДН, что приводит к снижению КНД, уменьшение (от l /4 и менее) – к увеличению реактивной составляющей входного сопротивления, что затрудняет согласование. Таким образом, возникает противоречие между согласованием в диапазоне 1” и формированием ДН в вертикальной плоскости в диапазоне “2”.
Применение в АФУ с круговыми ДН двухдиапазонной МБ вместо двух для каждого из диапазонов с технико-экономической точки зрения значительно более выгодно. Однако создание такой МБ представляет собой серьезную проблему. Использование фазовращателей с нелинейной частотной зависимостью фазового сдвига на основе сложных фазосдвигающих цепей существенно усложняет и удорожает МБ, снижает надежность, так что не позволяет получить какие-либо преимущества по сравнению с двумя однодиапазонными матрицами. От этих недостатков свободна МБ с фазовращателями в виде отрезков кабеля определенной длины. Однако линейная частотная зависимость таких фазовращателей приводит к искажению фазовых распределений, что, в свою очередь, вызывает искажение ДН в горизонтальной плоскости, которое сопровождается увеличением ее неравномерности. При этом возникает необходимость обеспечения запаса по неравномерности ДН в горизонтальной плоскости КАР при ее возбуждении с номинальными фазовыми распределениями.
Таким образом, разработка двухдиапазонного многокнального АФУ с круговой ДН в горизонтальной плоскости представляет собой весьма сложную задачу, в рамках которой приходится решать ряд проблем по оптимизации антенны совместно с опорой (в случае АФУ с круговыми ДН – совместно также с матрицей Батлера). Отметим, что “ажурность” опоры (в рассматриваемых диапазонах “непрозрачная сплошная опора недопустима из соображений массы, ветровой и гололедной нагрузок) является полезным качеством, поскольку предоставляет значительное число варьируемых параметров (взаимное расположение металлоконструкций опоры, каких-либо пассивных элементов и активных вибраторов, густота сетки образующих рефлектор проводников, продольные и поперечные размеры проводников и т.д.), тогда как в случае сплошной опоры пришлось бы ограничиться изменением ее размеров и формы.
При решении задачи оптимизации необходимо учитывать амплитуды и фазы токов, наведенных на металлоконструкции и пассивные элементы, а также взаимную связь между излучателями. Это делает необходимым применение электродинамических методов анализа. В данном случае расчет характеристик направленности антенных решеток выполнялся на основе предварительного решения электродинамической задачи о распределении тока по проводникам (решетки представляют собой системы линейных проводников).
Ниже рассматривается конкретная отечественная разработка – АФУ Пирамида”, которая представляет собой стационарное шестивходовое устройство, обеспечивающее одновременную независимую работу шести передатчиков и шести приемников на одну антенну при круговой ДН в горизонтальной плоскости с неравномерностью ± 3 дБ и c усредненным по азимуту КНД (относительно полуволнового вибратора) КАР не менее 8 дБ в диапазоне “1” и 8,5 дБ в диапазоне “2”. АФУ Пирамида” допускает подключение к каждому из передающих входов (приемных выходов) передатчика (приемника) любого из используемых диапазонов (“1” или “2”).
Структурная схема АФУ Пирамида” показана на рис. 1. Основные составные части – восьмиэтажная КАР, содержащая по 8 излучателей в этаже и устройство объединения приемо-передатчиков (УОПП). КАР подключается к УОПП посредством восьми магистральных фидеров (МФ1, МФ2, … МФ8).
Входами КАР являются входы распределителей мощности РМ 1х8 (всего 8 шт., на рис. 1 показан только один, подключенный к МФ1). Каждый распределитель равномерно распределяет входной сигнал между восьмью своими выходами и обеспечивает питание вертикальной линейки (секции КАР) из восьми излучателей (вертикальных вибраторов), расположенных друг над другом. Сигнал от распределителя к вибраторам передается посредством фидеров снижения. В пределах одной секции вибраторы этажей 2…7 возбуждаются синфазно, вибраторы 1-го и 8-го этажей (нижний и верхний) – с небольшой расфазировкой с целью исключения интерференционных нулей в ДН в вертикальной плоскости. Фазовое распределение в пределах этажа обеспечивается УОПП (матрицей Батлера). Амплитуды возбуждения всех вибраторов КАР равны.
В УОПП тракт каждого передающего входа (входы ПРД1…ПРД6) разделяется посредством фильтров разделительных (ФР) на два тракта – диапазонов “1” и “2”, в каждом из которых установлены ферритовые вентили соответствующих диапазонов (В-1 – диапазона “1”, В-2 – диапазона “2”), увеличивающие развязку между входами до необходимого уровня. Непосредственно на входе каждого передающего тракта (перед разделительным фильтром) установлена измерительная секция (ИС), которая совместно с блоком вычислительным (БВ) образует измеритель КБВ, предназначенный для контроля согласования.
В качестве диаграммо-образующей схемы применена двухдиапазонная матрица Батлера МБ 7х8-РК (входов 7, так как вместо одного из входных направленных ответвителей применен делитель мощности), в которой только 2 фазовращателя (с номинальным сдвигом фазы -45° ) настроены на среднюю частоту между диапазонами 1” и “2” (фактический фазовый сдвиг: -30° и -60° на частотах передачи в диапазонах “1” и “2”, соответственно). Остальные фазовращатели настроены на диапазон “2”. Такое предпочтение” данному диапазону вызвано тем, что в диапазоне “1” электрический радиус КАР достаточно мал, в следствие чего обеспечивается больший запас по неравномерности ДН в горизонтальной плоскости. Направленные ответвители в матрице Батлера выполнены пересвязанными” (т.е. с переходным ослаблением меньше 3 дБ) на средней частоте между диапазонами 1” и “2”, так что на частотах используемых диапазонов обеспечивается переходное ослабление 3 дБ, т.е. равноамплитудное деление сигнала.
В МБ используются только 6 входов, к неиспользуемому входу подключена нагрузка балластная (НБ). Для подключения приемников использованы второй и шестой входы МБ для диапазонов “1” и “2”, соответственно. Разделение передающих и приемных трактов осуществляется посредством диплексеров (шестиполюсных фильтров) Д-1 и Д-2. После прохождения диплексеров приемные сигналы усиливаются в усилителе 2х6-РК и равномерно распределяются между шестью приемными выходами ПРМ1 … ПРМ6.
В АФУ (в блоках вычислительных) предусмотрена световая и звуковая сигнализация недопустимо низкого уровня согласования передающих входов УОПП. Значение КБВ, при котором она срабатывает не более 0,5.
Излучатели и другие элементы КАР размещаются на опоре, которая представляет собой систему вертикальных проводников. Часть проводников (8 шт.) являются опорными элементами поясами, остальные имеют облегченную конструкцию и выполняют только “электрическую функцию – образуют проволочный рефлектор. Горизонтальную связь поясов и запроектированную геометрию опоры обеспечивают горизонтальные распорки – рамы, необходимую механическую жесткость опоры обеспечивают крестообразные раскосы. Пояс образован стойками из труб, свинчиваемых друг с другом на уровне распорок. Соединение стоек выполняется резьбовыми шпильками и стопорится гайками. Стойки нижних пяти решеток ствола выбраны с большей толщиной стенок, чем верхние. Материал стоек — высокопрочный алюминиевый сплав, шпилек, гаек алюминиевый сплав. Верхняя рама имеет облегченную конструкцию, к ней крепятся верхние стойки поясов и молниеприемник. К нижней раме крепятся нижние стойки поясов, раскосы, на раме имеются также места для крепления к подставке. Вибраторы крепятся к распоркам (по азимуту – в промежутках между поясами), распределители мощности крепятся в центре опоры к поясам.
Радиус КАР по осям вибраторов 1,02 м. Межэтажное расстояние (период вертикальной антенной решетки) 1,5 м.
Все элементы опоры, соединяемые по вертикали, имеют защищенные от лакокрасочного покрытия места, обеспечивая их гальваническую связь. Вибраторы имеют электрический контакт с распорками, распределители мощности – со стойками поясов. Все элементы ствола опоры имеют лакокрасочное покрытие. Цвет покрытия трех верхних и трех нижних секций ствола – оранжевый.
Вибратор, используемый в данном АФУ, является результатом теоретических и экспериментальных проработок, обеспечивших требуемые электрические характеристики в полосах частот обоих диапазонов (КСВН не более 1,2 на частотах передачи и 1,6 на частотах приема). Вибратор состоит из двух Г-образных плеч, вертикальные участки которых образуют излучающую поверхность. К горизонтальным участкам плеч приварены шлейфы. Центральный токопровод, представляющий собой прямоугольную пластину, выполненную из алюминиевого сплава, и горизонтальные участки плеч образуют трехпроводную линию, которая выполняет функцию симметрирующего устройства. Фиксация шлейфов и токопровода осуществляется с помощью двух изоляторов. Внутренняя полость вибратора закрыта диэлектрическими пластинами для защиты токоведущих элементов от прямого попадания осадков. Для настройки вибратора в процессе его изготовления предусмотрены настроечные пластины. После настройки вибратора пластины жестко фиксируются и в процессе эксплуатации не перестраиваются.
На нижнем плече вибратора расположена розетка, являющаяся элементом конструкции и выполнена по присоединительным размерам соединителя СР-75-202 ФВ.
Рис. 1. Структурная схема двухдиапазонного АФУ с круговой ДН
Фидеры снижения выполнены на основе кабеля РК 75-9-13 и отличаются только длиной. Распределитель мощности представляет собой разветвление коаксиального тракта на восемь направлений, конструктивно совмещенное четырехступенчатым трансформатором. Трансформатор предназначен для согласования восьми соединенных параллельно нагрузок распределителя (входных сопротивлений фидеров снижения) с волновым сопротивлением магистрального фидера и выполнен на основе жесткой экранированной линии, содержащей 4 каскадно-соединенных отрезка с разными волновыми сопротивлениями.
Направленный ответвитель (в составе матрицы Батлера) выполнен в виде двух полосковых линий на печатных платах, находящихся в общем корпусе, закрытом с двух сторон крышками. Платы располагаются строго параллельно на фиксированном расстоянии, которое точно задается набором шайб. Регулировка расстояний между крышками корпуса и платами осуществляется с помощью планок. Делитель мощности содержит двухполосный трансформатор и разветвитель. Делитель реализован на полосковой плате, помещенной в корпус, аналогичный корпусу НО.
Нагрузка балластная НБ 50-РК выполнена на основе резистора Р1-3-50, который вместе с элементами согласующей цепи установлен на радиаторе и закрыты крышкой.
Вентиль представляет собой 3-входовый ферритовый циркулятор, к одному из входов которого подключена встроенная балластная нагрузка. Вентили применены двух типов: ИВ150-17 (диапазон “1”) и ИВ150-34 (диапазон 2”). Вентили устанавливаются по два на один радиатор.
Фильтр разделительный ФР представляет собой вилочное соединение фильтров диапазонов “1” и “2”. Устройство конструктивно реализовано на отрезках коаксиального кабеля. Монтажные соединения выполнены на двух печатных платах. Корпус ФР аналогичен корпусу НО.
Диплексер Д-1 конструктивно представляет собой сборку двух НО и двух фильтров, объединенных в единую жесткую конструкцию с помощью рамы и соединенных кабелями. На одной из розеток НО установлена нагрузка согласованная. Фильтр представляет собой печатную плату, находящуюся в корпусе. Корпус закрыт крышками. На корпусе установлен емкостной элемент. Сквозь прорези в в крышке выведен подвижный короткозамыкатель. Диплесер Д-2 устроен аналогично.
Усилитель 2х6-РК включает в себя два усилителя (диапазонов “1” и “2”), устройство контроля и делитель. Усилитель диапазона “1 состоит из режекторного фильтра (настроенного на полосу частот передачи), усилителя высокой частоты (двухкаскадная схема на транзисторах) и делителя (обеспечивает равномерное распределение мощности усиленного сигнала на шесть входов приемников и развязку между ними). Режекторный фильтр выполнен на отрезках коаксиального кабеля, делитель – по мостовой схеме на четвертьволновых отрезках коаксиального кабеля. Усилитель диапазона “2 устроен аналогично. Устройство контроля контролирует ток потребления усилителей и, в случае его отклонения от установленного уровня на ± 30% и более вырабатывает сигнал “Авария” (при этом загорается индикатор единичный “АВАРИЯ” и срабатывает реле, контакты которого выведены на вилку дистанционного контроля).
Электропитание усилителя 2х6-РК осуществляется блоком питания БП, который обеспечивает стабилизированное напряжение +24 В от двух независимых (основной и резервный) источников сетевого питания. При наличии напряжения +24 В в основном канале напряжение на резервном стабилизаторе отсутствует. При пропадании напряжения +24 В в основном канале включается резервный стабилизатор. БП имеет схему контроля перегорания плавких предохранителей. При включении тумблера “СЕТЬ загораются единичные индикаторы “~220 В” и “+24 В основного и “~220 В” резервного источников. При пропадании какой-либо сети или выхода из строя стабилизатора происходит автоматическое переключение на работоспособный источник питания. БП конструктивно выполнен в виде моноблока. На лицевую панель БП вынесены: тумблер СЕТЬ”, индикаторы “~220 В” и “+24 В”, держатели предохранителей.
Измеритель КБВ состоит из секции измерительной ИС и блока вычислительного БВ. Работа измерителя КБВ основана на применении рефлектометрического метода определения КБВ по уровням сигналов падающей и отраженной волн в измеряемом сечении фидера. В качестве датчиков сигналов падающей и отраженной волн в измеряемом фидере использованы петлевые коаксиальные направленные ответвители, которые установлены в ИС, где также имеется электронная схема, обеспечивающая детектирование высокочастотных сигналов, соответствующих падающей и отраженной волнам, и формирование сигналов постоянного напряжения, которые подаются на вход БВ. В БВ формируется цифровой сигнал, управляющий цифровым индикатором, на котором отображается значение КБВ. При отсутствии падающей волны формируется также сигнал “Нет Uпад (отображающийся на единичном индикаторе), а при показании индикатором значений КБВ в интервале 0,01…0,49 – сигналы для подачи световой и звуковой сигнализаций, указывающих на аварийную ситуацию в антенно-фидерном тракте. Для проверки работоспособности в БВ предусмотрен специальный режим, включаемый нажатием кнопки “КАЛИБР”. При исправном БВ цифровые индикаторы должны в этом режиме отображать значение 0,75. БВ имеет автономный источник вторичного питания напряжением +5 В, -5 В, выполненный на трансформаторе и микросхемах.
Конструктивно УОПП представляет собой подставку и набор секций, установленных на подставку. Все секции устанавливаются в определенном порядке и соединяются между собой в стойку (шкаф). По бокам, сверху и сзади стойка закрыта перфорированными стенками. Подставка закрыта стенками по контуру. Внутри подставки на каркасе установлен зажим защитного заземления 3Б-С-6х30 ГОСТ 21130-75.
Двухдиапазонное АФУ может размещаться как на мачтах городских и вынесенных радиоцентров УКВ радиосвязи, так и на крышах высотных зданий.
Примерный вариант размещения АФУ на мачте радиоцентра приведен на рис. 2.
Рис. 2. Вариант размещения АФУ на мачте радиоцентра
Указанное АФУ смонтировано на одном из объектов в 1998 году и успешно эксплуатируется по настоящее время.