Как устроена антенна радиорелейной линии
Радиорелейная линия «точка–точка» — это два радиоблока и две антенны, направленные точно друг на друга. Антенна состоит из параболического зеркала, облучателя в его фокусе и крепления на трубу с механизмами точной регулировки. Облучатель подсвечивает зеркало, а зеркало собирает излучение в узкий луч — как фара.
Радиоблок ставят либо прямо на антенну — прямое крепление, либо рядом, соединяя гибким волноводом — раздельное. Для двух поляризаций или двух радиоблоков между ними ставят поляризационный разделитель или ответвитель. В разделе KADAMM 8 серий с зеркалами от 0,2 до 3,0 м — 147 исполнений на диапазоны от 6 до 86 ГГц.
Диаметр и усиление
Усиление зеркальной антенны зависит от площади зеркала, выраженной в квадратах длины волны: G = 10·lg(η·(π·D/λ)²), где D — диаметр, λ — длина волны, η — коэффициент использования поверхности. Возьмём η = 0,55 и сравним расчёт с паспортом антенн KADAMM на 21,2–23,6 ГГц:
| Модель | Диаметр | Усиление | Расчёт | Луч | КЗД | Сила ветра |
|---|---|---|---|---|---|---|
| КАДАММ MW02U23S | 0,2 м | 31,8 дБи | 30,8 дБи | 4,1° | 56 дБ | 196 Н |
| КАДАММ MW03U23S | 0,3 м | 35,3 дБи | 34,4 дБи | 3° | 62 дБ | 407 Н |
| КАДАММ MW06U23S | 0,6 м | 40,5 дБи | 40,4 дБи | 1,7° | 65 дБ | 1218 Н |
| КАДАММ MW09U23S | 0,9 м | 43,9 дБи | 43,9 дБи | 1° | 67 дБ | 2949 Н |
| КАДАММ MW12U23S | 1,2 м | 46,7 дБи | 46,4 дБи | 0,8° | 74 дБ | 4008 Н |
| КАДАММ MW18U23S | 1,8 м | 49,4 дБи | 49,9 дБи | 0,5° | 79 дБ | 9758 Н |
Расхождение — доли децибела, значит, формулой можно пользоваться для прикидки. Площадь растёт как квадрат диаметра, поэтому удвоение диаметра прибавляет около 6 дБ: у антенн 0,3 → 0,6 → 1,2 м усиление 35,3 → 40,5 → 46,7 дБи.
На низких частотах те же дециблы даются только большими зеркалами — вот диапазон 7,125–8,5 ГГц:
| Модель | Диаметр | Усиление | Расчёт | Луч | КЗД | Сила ветра |
|---|---|---|---|---|---|---|
| КАДАММ MW06U7WS | 0,6 м | 31,1 дБи | 31,2 дБи | 4,7° | 57 дБ | 1218 Н |
| КАДАММ MW09U7WS | 0,9 м | 34,8 дБи | 34,7 дБи | 3° | 60 дБ | 2949 Н |
| КАДАММ MW12U7WS | 1,2 м | 37,3 дБи | 37,2 дБи | 2,2° | 63 дБ | 4008 Н |
| КАДАММ MW18U7WS | 1,8 м | 40,8 дБи | 40,8 дБи | 1,5° | 67 дБ | 9758 Н |
| КАДАММ MW24U7WS | 2,4 м | 43,3 дБи | 43,3 дБи | 1,1° | 68 дБ | 17455 Н |
| КАДАММ MW30U7WS | 3,0 м | 45,2 дБи | 45,2 дБи | 0,9° | 70 дБ | 26212 Н |
Обратная сторона большого диаметра видна в последнем столбце: осевая сила при предельном ветре растёт с площадью зеркала и у трёхметровой антенны в десятки раз больше, чем у 0,6 м.
Частота при том же диаметре
Длина волны обратно пропорциональна частоте, поэтому одно и то же зеркало на высокой частоте даёт больше усиления и более узкий луч. Антенны 0,6 м:
| Диапазон | Модель | Усиление | Луч |
|---|---|---|---|
| 7,125–8,5 ГГц | КАДАММ MW06U7WS | 31,1 дБи | 4,7° |
| 10,125–11,7 ГГц | КАДАММ MW06U10WS | 34,5 дБи | 3,3° |
| 14,4–15,35 ГГц | КАДАММ MW06U15S | 36,8 дБи | 2,5° |
| 21,2–23,6 ГГц | КАДАММ MW06U23S | 40,5 дБи | 1,7° |
| 37–40 ГГц | КАДАММ MW06U38S | 45,2 дБи | 0,9° |
| 71–86 ГГц | КАДАММ MW06U80S | 49,1 дБи | 0,5° |
Но и потери на трассе растут с частотой: в свободном пространстве они увеличиваются на 6 дБ при удвоении частоты, а выше 10 ГГц к ним добавляется ослабление в дожде. Выигрыш антенн на высоких частотах уходит на компенсацию этих потерь, поэтому высокие диапазоны используют для коротких пролётов, а длинные линии строят на 6–13 ГГц.
Какие диапазоны и диаметры есть
| Диапазон | Антенн | Диаметры |
|---|---|---|
| 5,925–7,125 ГГц | 7 | 0,9, 1,2, 1,8, 2,4, 3,0 м |
| 7,125–8,5 ГГц | 12 | 0,6, 0,9, 1,2, 1,8, 2,4, 3,0 м |
| 10,125–11,7 ГГц | 14 | 0,3, 0,6, 0,9, 1,2, 1,8, 2,4, 3,0 м |
| 10,7–11,7 ГГц | 14 | 0,3, 0,6, 0,9, 1,2, 1,8, 2,4, 3,0 м |
| 12,75–13,25 ГГц | 13 | 0,2, 0,3, 0,6, 0,9, 1,2, 1,8, 2,4, 3,0 м |
| 12,75–13,5 ГГц | 2 | 1,2, 1,8 м |
| 14,4–15,35 ГГц | 13 | 0,2, 0,3, 0,6, 0,9, 1,2, 1,8 м |
| 17,7–19,7 ГГц | 13 | 0,2, 0,3, 0,6, 0,9, 1,2, 1,8 м |
| 21,2–23,6 ГГц | 14 | 0,2, 0,3, 0,6, 0,9, 1,2, 1,8 м |
| 24,25–26,5 ГГц | 12 | 0,2, 0,3, 0,6, 0,9, 1,2 м |
| 27,5–29,5 ГГц | 8 | 0,2, 0,3, 0,6 м |
| 31,8–33,4 ГГц | 8 | 0,2, 0,3, 0,6 м |
| 37–40 ГГц | 8 | 0,2, 0,3, 0,6 м |
| 40,5–43,5 ГГц | 3 | 0,2, 0,3, 0,6 м |
| 57–66 ГГц | 3 | 0,2, 0,3, 0,6 м |
| 71–86 ГГц | 3 | 0,2, 0,3, 0,6 м |
Расчёт пролёта «точка–точка»
Энергетика линии — простая сумма в децибелах. Уровень на входе приёмника равен мощности передатчика плюс усиление двух антенн минус потери в свободном пространстве и в тракте. Потери свободного пространства: L = 92,45 + 20·lg f + 20·lg d, где f — в гигагерцах, d — в километрах.
Пример: пролёт 10 км в диапазоне 21,2–23,6 ГГц, с обеих сторон КАДАММ MW06U23S с усилением 40,5 дБи. Мощность передатчика и порог приёмника берут из паспорта радиоблока — здесь это условные значения только для иллюстрации.
| Составляющая | Значение |
|---|---|
| Мощность передатчика (условно) | +15 дБм |
| Усиление антенны передачи | +40,5 дБ |
| Потери в свободном пространстве, 10 км, 22,4 ГГц | −139,5 дБ |
| Усиление антенны приёма | +40,5 дБ |
| Потери в поляризационных разделителях, 2 × 0,4 дБ | −0,8 дБ |
| Уровень на входе приёмника | −44,3 дБм |
| Порог приёмника (условно) | −75 дБм |
| Запас на замирания | 30,7 дБ |
Запас нужен на дождь, туман и многолучёвость. Сколько его достаточно, зависит от климатического района и требуемой доступности линии; расчёт делают по методикам МСЭ-R для конкретной трассы. Если запаса не хватает, увеличивают диаметр антенн, выбирают диапазон ниже или сокращают пролёт.
Зона Френеля: почему прямой видимости мало
Волна распространяется не по линии, а в объёме вокруг неё. Основная энергия идёт в первой зоне Френеля — эллипсоиде, радиус которого в середине пролёта равен r1 = 17,32·√(d1·d2 / (f·d)) метров. Если препятствие заходит в эту зону, уровень сигнала падает, даже когда антенны видят друг друга. Радиус в середине пролёта:
| Частота | Длина пролёта | Радиус первой зоны |
|---|---|---|
| 7,8 ГГц | 30 км | 17,0 м |
| 13,0 ГГц | 20 км | 10,7 м |
| 23,0 ГГц | 10 км | 5,7 м |
| 38,0 ГГц | 5 км | 3,1 м |
Поэтому высоту подвеса выбирают так, чтобы над рельефом, лесом и крышами оставалась свободной как минимум большая часть первой зоны, с учётом роста деревьев и кривизны Земли на длинных пролётах.
Наведение
Узкий луч даёт усиление, но требует точности. У КАДАММ MW18U23S луч 0,5°: на расстоянии 10 км половина этого угла — смещение около 44 м. Грубо антенну выставляют по азимуту и углу места, затем доводят винтами точной регулировки по максимуму уровня приёма, поочерёдно с обеих сторон.
Пределы регулировки у антенн KADAMM: по азимуту — грубо 360°, точно ±15°, по углу места — грубо ±25°, точно ±15°. Труба крепления — Ø51–Ø114 мм.
Ветер и опора
Для радиорелейной антенны важны два значения ветра. Рабочая скорость — до которой антенна сохраняет заявленные характеристики; предельная — которую она выдерживает без разрушения. В разделе встречаются сочетания рабочая 56 м/с при предельной 70 м/с (77 антенн), рабочая 30 м/с при предельной 67 м/с (70 антенн).
Опору под большую антенну рассчитывают на осевую и боковую силу и крутящий момент — они приведены в карточках. Недостаточно жёсткая труба или мачта раскачивается, и узкий луч уходит с корреспондента задолго до предельного ветра. Допустимая толщина льда в паспортах — 25,4 мм.
Одна или две поляризации
Антенна с одной поляризацией несёт один канал. С двумя — вертикальной и горизонтальной — можно передать два независимых потока на одной частоте и удвоить пропускную способность; для этого радиоблоки работают с подавлением перекрёстных помех. Из 147 антенн KADAMM 62 двухполяризационные.
Качество разделения поляризаций задают кроссполяризационная развязка XPD и развязка между портами. У антенн раздела XPD — 30 дБ, на 71–86 ГГц — 27 дБ; развязка портов двухполяризационных антенн — 35 дБ.
Классы ETSI и защитное действие
Стандарт ETSI EN 302 217-4 делит антенны на классы по огибающей диаграммы: чем выше класс, тем ниже боковые и задние лепестки и тем плотнее можно ставить линии на одном узле без взаимных помех. В разделе 135 антенн класса 3 и 12 — класса 4.
Разница видна по защитному действию: у КАДАММ MW06U23S (класс 3) — 65 дБ, у КАДАММ MW06E23S того же диаметра и диапазона (класс 4) — 71 дБ. На узлах, где сходится много линий, берут антенны старшего класса.
Поляризационный разделитель и ответвитель
Поляризационный разделитель (OMT) подключает к двухполяризационной антенне два радиоблока — по одному на поляризацию. Ответвитель (Coupler) подключает к одной антенне основной и резервный радиоблок или два блока на разных частотах. Оба ставят между антенной и радиоблоком, и оба вносят потери, которые нужно учесть в расчёте.
- Потери OMT KADAMM — от 0,3 дБ в раздельном креплении до 1,5 дБ в прямом, в зависимости от диапазона.
- Ответвитель 3 дБ делит мощность пополам: вносимые потери 3,6–6,0 дБ по диапазонам.
- Ответвитель 6 дБ оставляет основному тракту меньше потерь за счёт более слабого ответвления.
Прямое или раздельное крепление радиоблока
При прямом креплении радиоблок стыкуется с антенной без волновода: меньше соединений и потерь, но вся масса висит на антенне, а замена блока требует подъёма к ней. При раздельном блок ставят рядом и соединяют гибким волноводом: к антенне проще подойти, но добавляются потери в волноводе. Габариты OMT KADAMM для прямого крепления — 349 × 110 × 258 мм, масса брутто / нетто — ≤4,0 / ≤3,0 кг; для раздельного — 84 × 84 × 49 мм и ≤1,0 / ≤0,6 кг.
Как выбрать антенну
- Диапазон — по разрешению на частоты и радиоблокам; антенна должна совпадать с ними по полосе и интерфейсу.
- Диаметр — по расчёту пролёта: минимальный, при котором остаётся нужный запас на замирания.
- Поляризации — одна для простой линии, две для удвоения ёмкости или резервирования.
- Класс ETSI — 4 для загруженных узлов, 3 для одиночных линий.
- Опора — выдержит ли она осевую силу и сохранит ли жёсткость при рабочем ветре.
- Крепление радиоблока — прямое или раздельное, и нужен ли OMT или ответвитель.
Модели KADAMM
Все 147 исполнений в 8 сериях — с таблицами, классами ETSI и нагрузками — в разделе радиорелейных антенн.
