Что такое антенны базовых станций? Полное руководство

В современных телекоммуникационных системах антенна базовой станции является неоспоримым и важнейшим компонентом, облегчающим наше повседневное общение - от голосовых вызовов до высокоскоростной передачи данных. Антенны базовых станций играют фундаментальную роль в системах беспроводной связи, обеспечивая передачу и прием сигнала между базовыми станциями и мобильными устройствами.

Антенны базовых станций также известны как антенны сотовых площадок и антенны сотовой связи. Обычно они устанавливаются на башне или крыше и подключаются к базовой станции с помощью коаксиального кабеля. Антенны базовых станций имеют различные формы и размеры и могут быть как всенаправленными, так и направленными. Рабочая частота, зона покрытия, радиус действия и другие параметры могут варьироваться в зависимости от антенны базовой станции, выбранной для конкретной сети.

В различных системах связи используются разные антенны базовых станций, например, антенны базовых станций GMRS (General Mobile Radio Service), обычно используемые для систем двусторонней связи для личных и аварийных приложений, антенны базовых станций CB (Citizens Band), обычно используемые для систем персональной и коммерческой радиосвязи малой дальности, антенны базовых станций VHF (Very High Frequency), обычно используемые для систем морской, авиационной и общественной безопасности, антенны базовых станций UHF (Ultra High Frequency), обычно используемые для мобильной связи, военных систем, систем радиовещания и т.д.

В этой статье мы подробно рассмотрим антенны для базовых станций: принципы работы, применение, особенности установки и обслуживания, а также все, что между ними.

Как работают антенны базовых станций?

Антенны базовых станций работают, передавая и принимая электромагнитные волны. Когда пользователи выходят в сеть для совершения звонков или передачи данных, сигналы отправляются на ближайшую базовую станцию, где антенна базовой станции преобразует полученный сигнал в электрический ток, который усиливается перед отправкой на оборудование базовой станции. Внутри оборудования базовой станции сигнал будет обработан для установления соединения и обеспечения вызова или доступа к интернет-ресурсам. И наоборот, когда антенна базовой станции хочет отправить сигнал пользователям, она преобразует электрический ток в электромагнитную волну и передает ее.

Антенна базовой станции излучает сигналы в определенных направлениях в соответствии с ее диаграммой направленности, и зона покрытия также определяется направленностью антенны базовой станции. Как правило, антенны базовых станций устанавливаются на башнях или на крышах домов для достижения желаемой зоны покрытия и минимизации помех. Это обеспечит максимальный уровень и качество сигнала. В целом, антенны базовых станций выполняют функцию преобразования электрических сигналов в электромагнитные волны и наоборот, облегчая тем самым связь между базовой станцией и пользовательскими устройствами.

Типы антенн базовых станций

Как уже говорилось, антенны базовых станций являются важнейшим компонентом, обеспечивающим бесперебойную связь в системах связи, которые ежедневно используются потребителями. Существуют различные типы антенн базовых станций, которые могут использоваться в зависимости от конкретных требований сети. Ниже кратко рассмотрены несколько наиболее часто используемых типов антенн базовых станций.

• Всенаправленные антенны из стекловолокна

Всенаправленные стекловолоконные антенны базовых станций передают и принимают сигналы одинаково во всех направлениях. Они используются в сетях, где потребители могут быть расположены в любом направлении в круговой зоне вокруг антенны. Как правило, такие антенны используются в городских районах с низкой плотностью населения или в сельской местности, где либо направление движения пользователей неизвестно, либо направления могут меняться во всех направлениях. Всенаправленные антенны базовых станций имеют большую зону покрытия, так как могут передавать и принимать сигналы на 360 градусов, однако их коэффициент усиления невелик, а значит, ниже уровень сигнала и меньше дальность действия. Внешнее покрытие из стекловолокна обеспечивает удобство использования этих антенн на открытом воздухе, поскольку они устойчивы к большинству погодных условий.

• Секторные антенны

Антенны базовых станций секторного типа излучают сигналы в определенном направлении в горизонтальной плоскости. Зона покрытия этих антенн обычно составляет от 60 до 120 градусов, но может быть и больше. Благодаря своей направленности секторные антенны базовых станций имеют сравнительно более высокий коэффициент усиления. Следовательно, они имеют высокий коэффициент усиления и, соответственно, лучший уровень сигнала и большую дальность излучения. Секторные антенны базовых станций идеально подходят для организации беспроводных сетей в городских районах с высокой плотностью населения. Эти антенны могут быть объединены в многосекторные антенны, чтобы улучшить зону покрытия.

• Антенны Yagi-Uda:

Антенны Yagi - это высоконаправленные антенны, которые идеально подходят для использования в качестве антенн базовых станций. Антенны Yagi состоят из дипольного элемента в длинной стреловидной структуре и нескольких паразитных элементов, которые крепятся по обе стороны от стреловидной структуры для усиления излучения в одном направлении. Благодаря высокой направленности антенн Yagi, они идеально подходят для создания сетей, в которых зона покрытия должна быть на большом расстоянии, но в небольшой, сфокусированной области. Поскольку антенны Yagi имеют высокую направленность и большой коэффициент усиления в определенном направлении, они более устойчивы к помехам от других устройств или препятствий в окружающей среде. Такие антенны обычно подходят для систем связи на больших расстояниях и беспроводных сетей в сельской местности или пригородах.

• Параболические антенны:

Параболические антенны используются в качестве антенн базовых станций, поскольку они способны фокусировать сигналы в определенном направлении и обладают высокой направленностью. Такие антенны идеально подходят для систем дальней связи, для соединений "точка-точка" между базовыми станциями и для спутниковой связи. Параболическая форма позволяет этим антеннам генерировать узкий сфокусированный луч сигнала в определенном направлении и, следовательно, обеспечивать высокую скорость передачи данных при минимальных помехах.

• Дипольные антенны:

Дипольные антенны - одни из самых простых и широко распространенных антенн. Они могут использоваться в качестве антенн базовых станций и обычно состоят из двух проводящих элементов, разделенных в центре изолирующим материалом. Источник сигнала подается в центр антенны, а затем напряжение и ток, проходящие через два проводящих элемента, генерируют электромагнитные сигналы, которые излучаются за пределы антенны. Дипольные антенны являются всенаправленными и, следовательно, могут использоваться на базовых станциях, которым необходимо передавать или принимать сигналы одинаково во всех направлениях. Дипольные антенны VHF и UHF могут использоваться на базовых станциях для организации связи в системах общественной безопасности, прибрежных зонах, промышленных и общественных коммуникациях.

Используются различные частотные диапазоны

Антенны базовых станций являются фундаментальным компонентом в повседневных системах связи, которые мы используем. Поэтому производительность этих антенн может оказывать значительное влияние на качество работы системы связи и качество обслуживания пользователей. В зависимости от различных приложений и случаев использования могут потребоваться антенны различных частот. Некоторые из часто используемых частот в антеннах базовых станций рассмотрены ниже.

700 MHz: Эта частота используется для сетей Long Term Evolution (LTE) и может обеспечить хорошее покрытие и емкость.

900 MHz: Эта частота обычно используется для сетей Глобальной системы мобильной связи (GSM) и обеспечивает хорошее покрытие, но более низкую скорость передачи данных по сравнению с более высокими частотами.

1800 MHz: Эта частота также обычно используется для сетей GSM, но, в отличие от частоты 900 MHz, она обеспечивает более высокую скорость передачи данных, но с меньшим покрытием.

2100 MHz: Эта частота обычно используется для сетей Универсальной системы мобильной связи (UMTS) и обеспечивает более высокую скорость передачи данных, но имеет ограниченное покрытие.

2600 MHz: Эта частота используется в сетях LTE и обеспечивает очень высокую скорость передачи данных, но с увеличением частоты зона покрытия становится еще более ограниченной.

3500 MHz: Эта частота обычно используется в современных сетях 5G и обеспечивает высокую скорость передачи данных, но при этом имеет ограниченное покрытие.

5800 MHz: Эта частота используется для сетей Wi-Fi и обеспечивает высокую скорость передачи данных, но благодаря более короткой длине волны они больше подходят для связи на коротких расстояниях.

Таким образом, как видно, диапазон рабочих частот для антенны базовой станции должен быть тщательно подобран в соответствии с требованиями приложения, оптимизируя скорость передачи данных, дальность передачи и зону покрытия.

Антенные технологии MIMO и Beamforming

Технологии MIMO и beamforming стали важнейшей частью современных сетевых систем. Антенны базовых станций могут использоваться в конфигурации MIMO, при которой количество передатчиков и приемников в сети увеличивается и они могут одновременно передавать и принимать сигналы по одному и тому же каналу, тем самым увеличивая пропускную способность без ущерба для спектра.

При лучевом формировании несколько антенн передают одни и те же данные в несколько потоков. Но из-за разного размещения и расположения антенн в определенных точках сигналы будут совпадать, повышая уровень сигнала, а в других местах - ослабляя его. Стратегическое размещение антенн базовой станции позволяет оптимизировать разницу фаз, что повышает общий уровень сигнала при передаче.

Для чего используются антенны базовых станций?

Как отмечается в этой статье, антенны базовых станций чрезвычайно важны в системах связи. Ниже приведены некоторые из наиболее распространенных случаев использования антенн базовых станций.

Сети беспроводной связи (например, сотовые сети, такие как 2G, 3G, 4G, 5G)

Антенны базовых станций играют важную роль в установлении беспроводного соединения между конечными пользовательскими устройствами, такими как мобильные телефоны или планшеты, и сетевой инфраструктурой в сотовых сетях. В зоне действия антенны базовой станции она принимает и передает сигналы между пользовательскими устройствами и базовыми станциями беспроводной сети. Различные поколения сотовых сетей 2G, 3G, 4G или 5G используют антенны базовых станций, работающие в разных частотных диапазонах, для передачи и приема сигналов, передающих голос, данные, текст и т. д. Как правило, сети 2G (GSM) используют низкие диапазоны частот, такие как 900 MHz и 1800 MHz, сети 3G (UMTS) обычно работают на более высоких частотах, таких как 2100 MHz, сети 4G (LTE) используют широкий диапазон частот, таких как 700 MHz, 1800 MHz и 2600 MHz, а сети 5G могут использовать еще более широкий диапазон частот от суб-1 GHz (низкий диапазон) до более высоких частот, таких как средний диапазон (3.5 GHz) и даже частоты миллиметровых волн (24 GHz и выше). Сотовые сети 5G требуют более высокой скорости передачи данных и качественного соединения, поэтому в таких сетях используются антенны базовых станций, работающие по новейшим технологиям, таким как MIMO (Multiple Input Multiple Output) и beamforming.

Покрытие сигнала

Антенны базовых станций являются основным компонентом для обеспечения покрытия сигнала в беспроводной сети. Зона покрытия зависит от типа используемой антенны и параметров ее работы, таких как частота, коэффициент усиления, поляризация и т. д. Чтобы получить оптимальную зону покрытия антенны базовой станции, она должна быть тщательно и стратегически правильно размещена, чтобы минимизировать помехи от других окружающих устройств, а также условий окружающей среды. Чтобы обеспечить бесперебойную связь для пользователей при их перемещении, антенны базовых станций обычно размещают таким образом, чтобы зоны покрытия двух соседних антенн слегка перекрывались. Зона покрытия сигнала антенной базовой станции может варьироваться от пригорода до крупных городов или больших сельских районов. В качестве антенн базовых станций могут использоваться как всенаправленные, так и направленные антенны, при этом покрытие сигнала от всенаправленной антенны будет одинаково во всех направлениях, в то время как при использовании направленной антенны, такой как антенна-тарелка или секторная антенна, покрытие сигнала будет сфокусировано в одном конкретном направлении. Если используются направленные антенны, они могут быть использованы в сети, ориентированной на различные сектора или направления, что позволяет достичь большего покрытия сигнала.

Магистральные соединения

Соединение между базовой станцией и опорной сетью, объединяющее несколько базовых станций, называется транзитным соединением. Транзитные соединения могут быть как проводными, так и беспроводными. Антенны базовых станций играют ключевую роль в транзитных соединениях, устанавливая соединения "точка-точка" между базовыми станциями или между базовыми станциями и опорной сетью. Это очень полезно, особенно в местах, где нет возможности установить проводную инфраструктуру. Для транзитных соединений подходят антенны с высокой направленностью, поскольку они обеспечивают надежное соединение даже на больших расстояниях и при любых помехах.

Радиовещание (FM-радио и телевизионные сигналы)

Другим основным вариантом использования антенн базовых станций является трансляция FM-радио и телевизионных сигналов. При FM-радиовещании антенна базовой станции передает радиосигналы во все стороны как всенаправленная антенна, так что все устройства со всех сторон в пределах определенного региона смогут подключаться и принимать сигналы радиоволн. В телевизионном вещании аналогичным образом телевизионные каналы или контент будут передаваться пользователям через антенну базовой станции. Наряду с общепринятыми рабочими частотами для антенн базовых станций, для трансляции телевизионных сигналов могут потребоваться антенны базовых станций диапазонов VHF и UHF. Антенны базовых станций для FM-радио и телевизионного вещания в идеале должны быть оптимизированы для передачи сигналов во всех направлениях без ущерба для дальности/дальности передачи.

Аварийная связь и связь с общественностью

Антенны базовых станций также могут использоваться в системах связи в чрезвычайных ситуациях и системах общественной безопасности, таких как системы реагирования на стихийные бедствия, аварии, военные базы и т. д. Антенны базовых станций используются в этих системах реагирования на чрезвычайные ситуации, поскольку они могут обеспечить стабильную и надежную связь с высоким уровнем и качеством сигнала. Эти антенны широко используются сотрудниками служб экстренного реагирования, медицинскими бригадами, военными и т. д. Надежная и стабильная связь позволяет обеспечить надлежащую координацию между пользователями, чтобы гарантировать, что чрезвычайная ситуация или угроза будет безопасно и грамотно устранена. Антенны базовых станций также обычно используются в системах оповещения и предупреждения для эффективного оповещения пользователей в определенной зоне покрытия для обеспечения общественной безопасности.  

Роль в сотовых сетях

Антенны базовых станций - важнейшие элементы сотовых сетей. Они используются для передачи и приема сигналов во всех поколениях сотовых сетей от 2G до 5G и далее. Каждое поколение сотовых сетей использует различные технологии, такие как GSM в 2G, WCDMA в 3G, WiMax и LTE в 4G, MIMO и технология миллиметровых волн в 5G. Каждая из этих технологий может быть установлена с помощью антенн базовых станций с различными рабочими частотами.

С развитием поколений сотовых сетей совершенствуются технологии и стандарты, используемые в них. По мере развития технологий от сотовых сетей ожидаются более высокие скорости, более высокая скорость передачи данных, лучшее качество сигнала и общая производительность. Поэтому антенны базовых станций играют фундаментальную роль в обеспечении стабильной и надежной связи в сотовых сетях и предоставлении пользователям бесперебойной работы во время голосовых вызовов, передачи текстов, потокового вещания и т. д.

Наряду с эксплуатационными характеристиками, зона покрытия сотовой сети также определяется типом используемой антенны базовой станции. Излучение сигнала во всех направлениях, как у всенаправленных антенн, или сфокусированный луч, как у направленных антенн, а также дальность передачи - все это зависит от антенны базовой станции, выбранной для создания сотовой сети. Поэтому при выборе антенны базовой станции для сотовой сети любого поколения следует быть очень внимательным.

Что такое двухдиапазонные антенны базовых станций VHF/UHF?

Двухдиапазонные антенны базовых станций способны работать в двух отдельных диапазонах или частотах. Они могут работать либо в одном частотном диапазоне, либо в обоих одновременно, в зависимости от требований пользовательских устройств в сети. Диапазон VHF обычно рассматривается между 30 и 300 MHz, в то время как диапазон UHF рассматривается между 300 MHz и 3 GHz. В этих двухдиапазонных антеннах базовых станций есть возможность использовать оба диапазона частот, что делает их более универсальными для широкого спектра приложений.

Что такое антенны для базовых станций CB?

Антенны для базовых станций Citizen's Band обычно используются для связи на коротких и средних расстояниях и, как правило, работают в диапазоне частот от 26,965 MHz до 27,405 MHz. Эти антенны могут быть как всенаправленными, так и направленными, и доступны в различных формах и размерах. Антенны базовых станций CB специально разработаны для обеспечения эффективной передачи и приема сигналов CB-радиостанций, чтобы обеспечить последовательную, надежную и качественную связь между устройствами CB-радиостанций.

Влияние на производительность сети

Антенна, вероятно, вносит наибольший вклад в определение производительности сети. Антенны базовых станций также оказывают огромное влияние на общую производительность сети. Как правило, они имеют более высокий коэффициент усиления по сравнению с другими типами антенн и, следовательно, могут передавать сигнал на большие расстояния и на более высоких скоростях и скоростях передачи данных. Антенны базовых станций обычно предназначены для обеспечения высокого качества сигналов с минимальными помехами и шумами. Эти антенны помогают обеспечить стабильное и надежное соединение.

Поскольку антенны для базовых станций выпускаются всех типов, это обеспечивает гибкость использования антенны в зависимости от потребностей конкретной сети и позволяет оптимизировать покрытие и уровень сигнала в каждой сети. Кроме того, антенны базовых станций предназначены для одновременного подключения большого количества пользователей, что делает их идеальными для использования в условиях высокой плотности населения или интенсивного использования сети. Антенны базовых станций долговечны и способны выдерживать даже суровые погодные условия, поэтому надежное и стабильное соединение и работа сети могут быть обеспечены независимо от любых экстремальных погодных условий.

В целом, антенны базовых станций играют важную роль в обеспечении высокого качества беспроводной связи и производительности сети.

Размещение антенны базовой станции

Размещение антенны базовой станции чрезвычайно важно для достижения ее оптимальной производительности. Место для антенны должно быть выбрано таким образом, чтобы на нее оказывали минимальное влияние любые окружающие антенны или устройства, а также любые значительные физические препятствия.

Также важно обращать внимание на погодные условия рабочей среды. В городских районах с высокой плотностью населения для минимизации помех идеально подходят направленные антенны с относительно низким коэффициентом усиления и узкой горизонтальной шириной луча. В сельской местности, где интенсивность движения ниже, используются направленные или всенаправленные антенны с высоким коэффициентом усиления, поскольку покрытие является основной задачей.

Обслуживание антенн

Обслуживание антенн базовых станций имеет решающее значение для обеспечения их оптимальной работы. Это важно для обеспечения конечных пользователей надежной и стабильной системой связи. Антенны базовых станций требуют регулярных проверок, чтобы обеспечить поддержание их рабочих параметров. Регулярное обслуживание должно включать в себя визуальный осмотр, очистку и тестирование антенной системы.

Соображения по поводу стоимости

При выборе антенны для базовой станции стоимость является ключевым моментом. Важно учитывать общие расходы, которые могут возникнуть при первоначальной установке, а также при долгосрочном обслуживании. Фактическая стоимость будет зависеть от типа выбранной антенны и ее эксплуатационных характеристик. Однако важно соблюдать баланс между затраченной суммой и уровнем производительности, достигаемым от антенны базовой станции в сети.

Заключение

В этой статье представлен полный обзор антенн базовых станций, рассказывается об их работе, различных типах и моделях, новейших технологиях и некоторых распространенных вариантах использования. Антенны базовых станций играют важнейшую роль в создании сотовых сетей. В этой статье рассматриваются различные поколения сотовых сетей, основные технологии в каждом поколении и то, как различные антенны базовых станций с разными частотами могут использоваться для удовлетворения требований сети.

В статье также затронуты некоторые факторы, которые следует учитывать при выборе антенны, такие как размещение, обслуживание и стоимость. В целом, глубокое понимание антенн базовых станций, их работы и широкого спектра доступных опций позволит нам добиться оптимальной производительности антенны для сети.