MOBILNE KOMUNIKACIJE

1. MOBILNE KOMUNIKACIJE 13. Antenski sustav bazne postaje

2. Uvod • Mobilni telefonski sustavi za svoj rad zahtijevaju nekoliko kanala (za kontrolu i promet informacija). • Sklopovi odašiljača i prijemnika za svaki frekvencijski kanal moraju biti spojeni na zajedničku antenu. • Za ostvarivanje tih zahtjeva koriste se : • odašiljački sabirnik (transmitter combiners) • duplekseri - dvosmjernici (duplexers) • prijemnički sprežnici (reciever multicouplers)

3. Antenski sustav bazne postaje

4. Postoje dva tipična načina višekanalnog spoja: • spoj s dvije antene od kojih jedna služi za priključak odašiljača, a druga za priključak prijamnika • spoj sa jednom antenom gdje se pomoću dupleksera osigurava spoj nekoliko odašiljačai prijamnika na istu antenu • Uvjeti za izbor jednog od ova dva načina spajanja su: ekonomski zahtjevi , zahtjevi na sustav i prostorna ograničenja na stupovima i u prostoru za opremu.

5. Slika 2. Spoj s jednom antenom Slika 1.Spoj sa dvije antene

6. Odašiljački sabirnici (transmitter combiners) • Sabirnici su uređaji koji omogućuju spajanje nekoliko odašiljača na relativno bliskim radnim frekvencijama na istu antenu; pri tome osiguravaju međusobnu izolaciju odašiljača i sprječavaju njihovo međudjelovanje (problem intermodulacije). • Gubici vezanja Ac za svaki par odašiljača moraju biti što veći. • Sabirnik je jednosmjerna naprava koja selektivno prebacuje energiju sa pojedinog odašiljača na zajedničku antenu, a istodobno minimizira prijenos energije prema drugim odašiljačima

7. Sabirnici se sastoje od feritnih izolatora i hibridnih jedinica, • Izolatori (cirkulatori) djeluju poput RF dioda s malim gubicima u jednom smjeru (oko 0.5 dB), a s velikim gubicima (gušenjem) u suprotnom smjeru (do 30dB). • Hibridna jedinica omogućava spajanje dva odašiljača na zajednički izlaz i pri tome osigurava izolaciju od 25 do 40 dB između njih. • Hibridna jedinica ima gubitke umetanja teorijski 3 dB odnosno 3.5 dB u praksi. • Ti gubici ograničavaju broj odašiljača koji se na ovaj način mogu spojiti na zajedničku antenu.

8. Slika 5. Sabirnik s izolatorima i hibridima

9. Cirkulator (izolator) Troprolazni cirkulator Y spoja • Cirkulator sadrži posebne oblike ferita u valovodu. Uloga ferita je takva da na jednoj strani cirkulatora povećava valnu duljinu, a na drugoj strani smanjuje valnu duljinu pa se valna fronta zakreće u desno. Zbog toga će u Y spoju val težiti propagacijom jednim prolazom, a ne drugim. • Ako se na treći prolaz cirkulatora priključi prilagodno opterećenje čitav spoj djeluje kao izolator.To znači da se energija prenosi bez gubitaka u jednom smjeru, ali je potpuno apsorbirana u drugom smjeru (npr. cirkulator može spriječiti da se energija reflektiranog vala sa antene vrati u odašiljač). • U pravilu nema ograničenja na broj prolaza cirkulatora

10. Primjer: • Sabirnik sa 4 odašiljača ima 4 feritna izolatora i 3 hibrida. • Izolacija cirkulatora je 30 dB, hibrida 40 dB. • Gubici umetanja za cirkulator su 0.5 dB, za hibrid 3.5 dB. • Uz pretpostavku da impedancija uređaja odgovara impedanciji antene, ukupna izolacija između dva odašiljača spojena na isti hibrid će biti 70 dB (30 dB od cirkulatora i 40 dB od hibrida). • Gubici umetanja za svaki odašiljač će biti 7.5dB (3,5+3,5+0,5) zato što signal prolazi kroz dva hibrida i jedan cirkulator. • To znači da se u 82% snage iz odašiljača izgubi u sabirniku, a samo 18 % snage stigne do antene, odnosno

11. Prednosti sabirnika sa izolatorima i hibridnim jedinicama: • fleksibilnost: mogu se koristiti odašiljači koji rade na bliskim frekvencijama • mala veličina • Nedostaci: • visoki gubici umetanja, velika redukcija snage koja se isporučuje anteni • jednosmjernost, moguće je samo spajanje odašiljača na antenu • visoka cijena • Uz upotrebu ovakvog tipa sabirnika moguće je na zajedničku antenu spojiti 4 odašiljača sa interferentnim kanalima (npr. kanali 1,2,3,4) • Iz tablice kanala zaštićenih od intermodulacije vidi se da bi bez upotrebe sabirnika, korišteni kanali morali biti 1,2,5,7 • Postiže se ušteda od 3 kanala koji se kasnije mogu prema potrebi dodijeliti drugim korisnicima

13. Sabirnici sa šupljinskim rezonatorima • Drugi način spajanja više odašiljača sa malim gubicima umetanja se temelji na upotrebi “resonant cavity” filtara sa visokim Q-faktorom. • Ovi filtri mogu biti biti spojeni u pojasni propust (serijski spoj) ili u pojasnu branu (paralelni spoj). Slika 7. Spoj dva primopredajnika pomoću 4 rezonantne šupljine s pojasnim propustom

14. Šupljinski rezonator (cavity) • Šupljinski rezonator se izrađuje od vodljivog materijala jednostavnog geometrijskog oblika, koji u sebi sadrži šupljinu čije dimenzije odgovaraju valnim duljinama signala • Upotrebljavaju se kao pojasni propusti ili pojasne brane

15. Selektivnost šupljine se povećava s povećanjem QL. • Gubici umetanja se također povećavaju s porastom QL. • Iz slike 8. možemo zaključiti kako, u većini slučajeva, samo jedna šupljina ne može pružiti dovoljnu izolaciju za odašiljače koji se na nju spajaju • Npr. za QL=1000 i za pomak od 3% od radne frekvencije (27.6 MHz pri radnoj frekvenciji od 920MHz) vidimo da je izolacija svega 32dB što je upola manje od one koju pruža sabirnik sa hibridnim jedinicama.

16. Slika 8. Odzivi pojasnopropusnih šupljina

18. Izolacije se može povećati spajanjem nekoliko rezonantnih šupljina u seriju. Ukupni gubici umetanja su tada suma gubitaka svake pojedine šupljine. • Npr. za 3 rezonantne šupljine ukupni gubici su 1.5dB (0.5 dB od svake rezonantne šupljine). • Filtri sa rezonantnim šupljinama imaju optimalan odnos između selektivnosti, gubitaka umetanja i cijene. Dodatna prednost rezonantnih šupljina je da na primopredajnicima smanjuju količinu šuma sa odašiljača koji dopire do prijemnika. • Nedostatak navedenih uređaja je njihova veličina (zahtijevaju puno prostora za ugradnju).

19. Šupljinski rezonatori kao pojasne brane • Šupljinski rezonatori izvedeni kao pojasne brane spajaju se paralelno na put odašiljač-antena • Za frekvencije koje treba prigušiti predstavljaju nisku impedanciju, a za radne frekvencije predstavljaju visoku impedanciju. • Imaju veću selektivnost od šupljina sa pojasnim propustom. • Mogu se koristiti za spajanje dašiljača s manjim frekvencijskim razmakom. • Svaka grana “odašiljač-antena” ima paralelno spojene dvije šupljine koje predstavljaju “klopku”za frekvencije koje treba ukloniti. • Povećanje broja frekvencijskih šupljina sa brojem odašiljača ograničava broj odašiljača koji se mogu spojiti na zajedničku antenu uz upotrebu te konfiguracije.

20. Slika 9. Sabirnik za 3 odašiljača sa pojasnom branom

22. Sabirnici s izolatorima i šupljinama • Ova metoda kombinira prednosti ranije navedenih metoda • Upotreba izolatora omogućuje povezivanje odašiljača s malom frekvencijskom razlikom, a upotreba šupljinskih rezonatora omogućuje male gubitke umetanja. • Ovaj tip sabirnika je jednosmjeran; tj.na ovaj način mogu se na antenu spajati samo odašiljači • Doadatno sabirnici sa rezonancijskim šupljinama prigušuju šum koji proizvode odašiljači. To svojstvo sabirnici doprinosi održanju “čistog” elektromagnetskog spektra u okolini bazne stanice.

23. Slika 10. pokazuje sabirnik ovog tipa preko kojeg su 4 odašiljača spojena na antenu • Frekvencijske šupljine svojom impedancijom odgovaraju impedanciji portova 1,2,3,4 spojnog mjesta. • Izlazi iz frekvencijskih šupljina povezani su sa spojnim mjestom pomoću koaksijalnih kabela duljine λ/4. • Gubici umetanja predstavljaju gušenje signala na putu između izlaznog porta odašiljača i spojnog mjesta za slučaj kada je frekvencijski pomak između odašiljača konstantan.

24. Slika 10. Sabirnik sa šupljinama i izolatorima za 4 odašiljača

25. Primjer: • Na slici 10. prikazan je sabirnik s izolatorima i šupljinskim rezonatorima preko kojeg su 4 odašiljača spojena na antenu • Šupljinski rezonatori svojom impedancijom odgovaraju impedanciji portova 1,2,3,4 spojnog mjesta. • Izlazi iz šupljinskih rezonatora povezani su sa spojnim mjestom pomoću koaksijalnih kabela duljine λ/4. • Gubici umetanja predstavljaju gušenje signala na putu između izlaznog porta odašiljača i spojnog mjesta za slučaj kada je frekvencijski pomak između odašiljača konstantan.

26. Antenski sprežnici • Antenski sprežnici su uređaji koji omogućuju spajanje nekoliko prijamnika na zajedničku antenu. • Sastoje se od tri osnovna elementa: • Pojasni propust • Pojasni propust odabire frekvencije koje treba primiti , a odbacuje frekvencije koje su izvan zadanog pojasa. • Predpojačalo • Predpojačalo kompenzira gubitke koji nastaju pri prolazu signala kroz ostale elemente sprežnika • Djelitelj snage • Djelitelj snage isporučuje jednaku snagu svakom prijamniku.

27. Slika 12. Blok shema sprežnika

29. Duplekseri (dvosmjernici) • Duplekseri su uređaji koji omogućuju da jedna antena istovremeno prima i odašilje više kanala. • Duplekser se sastoji od dva pojasna propusta od kojih je jedan podešen na frekvenciju prijamničkog signala , a drugi na frekvenciju predajničkog signala. • Ugradnjom dupleksera u primopredajni sustav postiže se sljedeće : • prijamnik se izolira od frekvencija na kojima radi odašiljač • signal s odašiljača se prigušuje na prijamničkim frekvencijama

30. Slika 14. Blok dijagram i karakteristike dupleksera

32. Spojni vodovi • Primopredajni sustav se spaja na antenu pomoću spojnih vodova. • Spojni vodovi su koaksijalni kabeli s malim gubicima i impedancijom od 50Ώ. • Ti kablovi moraju podnositi vlagu pa su u nekim slučajevima izrađeni pod tlakom. • Kabeli moraju imati određenu mogućnost savijanja (zadana je minimalnim radijusom savijanja).

33. Uinstalacijama za mobilne komunikacije koriste se dvijevrste vodova: • polukruti koaksijalni kabeli (aluminijski ili bakreni) • savitljivi koaksijalni kabeli • Savitljivi koaksijalni kabeli se zbog velikog gušenja i ograničene snage ne mogu upotrebljavati ako je udaljenost između primopredajnika i antene velika. • Za veće udaljenosti koriste se polukruti kabeli koji imaju veće dimenzije i manje gušenje. • Ovi kabeli imaju valoviti vanjski vodič. • Za izolaciju između vanjskog i unutrašnjeg vodiča koriste zrak i polietilen (veće udaljenosti) ili krutu pjenu (za umjerene udaljenosti) • Spajanje polukrutog kabela sa opremom ili sa antenom se radi sa kratkim komadima savitljivog kabela.

34. Karakteristike kabela

35. Slika 15. Bazna postaja s antenskim stupom

36. Slika16. Antenski sustav

37. Antene za bazne postaje • Antena ima dvije uloge: • Prilagođavanje impedancije pojnog voda (50 ) na impedanciju slobodnog prostora (377 ) • Pojačanje signala odašiljača, odnosno prijemnika • Antene su pasivni elementi pa se pojačanje ostvaruje usmjerenošću (dobitkom) antene u željenom smjeru. • Za mobilne komunikacije se koriste antenski nizovi vertikalno poslaganih (vertikalnih) dipola čime se postiže pojačanje u horizontalnoj ravnini na račun veće usmjerenosti u vertikalnoj. Udvostručavanje broja dipola (udvostručavanje visine niza) donosi dobitak od 3 dB

38. Verikalni antenski niz

39. Omni-direkciona antena • Omni-direkciona antena ima uniformni dijagram zračenja u horizontalnoj ravnini, a pojačanje se ostvaruje usmjerenošću u vertikalnoj ravnini • Tipičan dobitak je od 8 do 11 dBi • Ograničenja u dobitku predstavlja geometrijske dimenzije (npr. Za 900 MHz antena za 11 dBi treba biti dugačka 3 m, na 1800 MHz to je upola manje)

40. Sektor antena Primjer antene za pokrivanje 1200 sektora

41. Sektor antene se izrađuju dodavanjem vodljivog reflektora iza niza dipola čime se ostvaruje dobitak u određenom horizontalnom smjeru • Tipičan kut usmjerenosti na -3 dB: 330 za pokrivanje prometnica, 650 za 1200 sektore ili 900 za 1800 sektore • Primjer sektor antena za 900 MHz: