Антенная решётка и ФАР: как панель формирует луч в 5G

Что такое антенная решётка

Одиночный излучатель светит широко и слабо. Если поставить рядом несколько одинаковых излучателей и подать на них сигнал согласованно, их поля складываются: в одних направлениях усиливают друг друга, в других гасят. Такая конструкция и называется антенной решёткой. Чем больше излучателей, тем уже общий луч и выше усиление.

Любая секторная антенна базовой станции — уже решётка: вертикальный столбик излучателей сжимает луч по углу места, а экран сзади задаёт сектор по горизонтали. Разница между антеннами разных поколений — в том, сколько столбиков-колонн в панели и кто управляет фазой сигнала на каждом из них.

Как фаза поворачивает луч

Если все излучатели получают сигнал в одной фазе, фронт волны параллелен решётке и луч смотрит перпендикулярно ей. Если каждому следующему излучателю добавлять одинаковый сдвиг фазы Δ, фронт наклоняется, и луч уходит в сторону. Для решётки с шагом d сдвиг фазы, нужный для отклонения луча на угол θ, равен 2π·d / λ, умноженному на синус θ: чем больше угол, тем больше сдвиг.

Отсюда слово «фазированная»: решётка с управляемой фазой — ФАР — может поворачивать луч без механического поворота антенны. Вопрос только в том, чем эта фаза задаётся: механическими фазовращателями внутри панели или отдельными трактами радиомодуля.

Пассивная решётка: фазовращатели и наклон

В обычной секторной панели мощность от одного порта расходится по излучателям через распределительную схему. Встроенные фазовращатели меняют фазу между верхними и нижними излучателями, и луч наклоняется вниз. Это та же фазированная решётка, но управляемая только в одной плоскости и медленно — приводом RET.

Такая антенна формирует один луч на всех абонентов сектора. Направить его на конкретный телефон она не может: фаза одинакова для всех сигналов, идущих через порт.

Двухлучевая антенна: сектор пополам без активной части

Следующий шаг — поставить в панель несколько колонн и распределительную схему, которая формирует из них два фиксированных луча, развёрнутых в разные стороны. У каждого луча свои порты, и радиомодуль видит два сектора вместо одного. В разделе антенн 5G KADAMM 9 таких гибридных антенн: обычные массивы на низкие полосы и двухлучевые на 1710–2690 МГц в одном корпусе.

Пример: у КАДАММ K840902119 обычный массив с сектором около 65° даёт 15,6–16,7 дБи, а каждый из двух лучей шириной 29–33° — 17,8–18,8 дБи. Узкий луч выигрывает около 2 дБ усиления, а площадка получает вдвое больше секторов без новых антенн.

Активная антенна 5G: луч на абонента

В массиве с формированием луча каждая колонна излучателей имеет собственный порт, а обычно и по порту на каждую из двух поляризаций. Четыре колонны × две поляризации = восемь портов, отсюда обозначение 8T8R у радиомодуля: восемь трактов передачи и приёма. Радиомодуль сам задаёт фазу и амплитуду сигнала в каждой колонне и для каждого абонента формирует свой луч.

В разделе KADAMM 9 массивов с формированием луча, 7 из них — восьмипортовые. Паспорт таких антенн описывает несколько режимов: луч одной колонны, широкий вещательный луч на весь сектор и узкий сервисный луч. Данные:

Максимальные значения по полосам: у двухдиапазонных массивов колонна и сервисный луч могут относиться к разным частотам, поэтому разница у них менее показательна.

Колонны и усиление: проверка по паспорту

Если сложить в фазе N одинаковых колонн, усиление вырастает на 10·lg N дБ, а луч по горизонтали сужается примерно в N раз. Для четырёх колонн это 6 дБ. Проверим на КАДАММ K850333816: одна колонна — 15,2 дБи, сервисный луч на 0° — 21,2 дБи. Разница 6 дБ. У 8 из 9 массивов раздела она лежит в пределах 5–6,5 дБ; меньшие значения — у двухдиапазонных моделей, где максимумы относятся к разным полосам.

Ширина сервисного луча по горизонтали — около 25°, против 65–100° у одной колонны. Именно этот узкий луч радиомодуль поворачивает внутри сектора к абоненту, а вещательный луч 65° нужен, чтобы все телефоны сектора слышали служебные сигналы станции.

Зачем калибровочный порт

Чтобы луч получился там, где его рассчитал радиомодуль, фазы во всех восьми трактах должны быть известны с точностью до градусов. Кабели, разъёмы и сами тракты вносят свои задержки и меняют их с температурой. Поэтому у массивов есть отдельный калибровочный порт: через слабую связь со всеми портами антенны радиомодуль измеряет фактические фазы и компенсирует разницу. У КАДАММ K850333816 коэффициент связи калибровочного порта — −26 ± 2 дБ.

Практическое следствие: перемычки от радиомодуля к массиву должны быть одной длины и одного типа, а калибровочный кабель — подключён. Без калибровки формирование луча работает с ошибками, и выигрыш в усилении пропадает.

Почему активные решётки прижились на 3,5 ГГц

Размер решётки определяется длиной волны: излучатели ставят с шагом около половины волны. На 3,5 ГГц длина волны около 86 мм, и четыре колонны помещаются в панель шириной в пару ладоней. На 800 МГц та же решётка была бы в четыре с лишним раза шире — на опору такую не повесить.

Однодиапазонные массивы KADAMM на 3,3–4,2 ГГц имеют высоту 1000 мм, вертикальный луч около 5–6° и электрический наклон 2–12°. Всего массивы с формированием луча в разделе весят от 6,5 до 26,9 кг — самый тяжёлый двухдиапазонный на 18 портов.

TDD + FDD в одной панели

Отдельный класс — комбинированные антенны, где пассивные массивы для полос FDD соседствуют с массивами TDD. Они не формируют луч на абонента, но позволяют добавить на площадку полосы 2,3–2,6 и 3,3–3,8 ГГц, не ставя новую панель. В разделе KADAMM 20 таких антенн; массивы TDD в них распределены так: 2300–2690 / 3300–3800 МГц — 10; 2490–2690 / 3300–3800 МГц — 6; 3300–3800 МГц — 4.

Что меняется для площадки и тракта

• Кабелей больше: восемь перемычек к массиву и калибровочная, все одного типа и длины, чтобы фазы трактов не расходились.
• Радиомодуль обычно ставят рядом с антенной на опоре: длинный фидер к восьмитрактовой антенне съел бы и мощность, и точность калибровки.
• Электрический наклон массива управляется по AISG, как у обычных панелей; азимут луча внутри сектора задаёт радиомодуль.
• У двухлучевых антенн важна развязка между лучами: у КАДАММ K840902119 развязка между входами разных систем на полосе двухлучевого массива указана не хуже 15 дБ.

Как читать паспорт антенны с формированием луча

• Режимы: луч одной колонны, вещательный луч и сервисный луч — у каждого своё усиление и ширина.
• Усиление сервисного луча на 0° и при отклонении, например на 30°: при повороте луч слабеет.
• Ширина луча по вертикали — около 5–6° у массивов 3,5 ГГц: от неё зависит, как точно задавать наклон.
• Коэффициент связи калибровочного порта и его допуск.
• Развязка между портами одной и разных поляризаций.
• Число портов и их назначение: какие колонны и поляризации к какому тракту подключать.

Сравнение трёх подходов

Как выбрать

• Посмотрите на радиомодуль: восьмитрактовому нужен массив с 8 портами и калибровкой, обычному — пассивная панель.
• Если сектор перегружен, а радиомодули обычные — двухлучевая гибридная антенна удвоит число секторов.
• Если нужно добавить TDD к существующим полосам без новой антенны — комбинированная TDD + FDD.
• Проверьте место и нагрузку на опору: массивы 3,5 ГГц компактны, гибридные многодиапазонные — длинные и тяжёлые.
• Закладывайте перемычки одной длины и подключение калибровочного порта.

Модели KADAMM

Все антенны 5G (38 моделей) с диаграммами по каждому массиву — в разделе антенн 5G.

КАДАММ K850333816

Массив 8T8R, 3,3–3,8 ГГц

Открыть карточку

КАДАММ K850343615

Массив 3,4–3,6 ГГц

Открыть карточку

КАДАММ K851233816

Двухдиапазонный массив

Открыть карточку

КАДАММ K840902119

Двухлучевая гибридная

Открыть карточку

КАДАММ K843902721

Гибридная, 20 портов

Открыть карточку