Як побудувати базову станцію для системи професійного радіозв’язку?
У цій статті розглянуті варіанти конфігурації обладнання високочастотного тракту одноканальних та багатоканальної базових станцій (БС).
Одноканальна БС — ретранслятор з окремими приймальною та передавальною антенами.
Найпростіший варіант конфігурації високочастотного тракту базової станції з ретранслятором полягає в тому, що приймач і передавач ретранслятора підключені до двох окремих антен.
Важливим фактором, який забезпечує якісний зв’язок (дальність роботи ретранслятора базової станції), є взаємна розв’язка або «ізоляція» приймального та передавального трактів. Це потрібно для того, щоб сигнал передавача не заважав прийому сигналів від абонентських станцій. Проблема полягає в тому, що ретранслятор працює в так званому “дуплексному режимі”, тобто одночасно приймає і передає, на відміну від абонентських станцій, які працюють або на передачу, або на прийом.
Стандартні вхідні фільтри приймального тракту ретранслятора не здатні забезпечити достатню фільтрацію сигналу передавача, оскільки вони не розраховані на придушення сигналів такого рівня. Динамічний діапазон (різниця між мінімальним та максимальним сигналом) радіочастотного тракта також не враховує такий рівень. Внаслідок цього виникає блокування приймального тракту, втрата чутливості та інтермодуляція (спотворення вхідного сигналу на частоті прийому).
Розв’язка (ізоляція) між приймальним та передавальним трактами в конфігурації з двома антенами забезпечується просторовим рознесенням антен по вертикалі. Це зручніше реалізувати з дипольними антенами, розміщуючи їх на одній щоглі одна над одною. Дипольні антени для радіозв’язку найчастіше вибирають саме через зручність розміщення декількох антен на одній щоглі та їх широку робочу смугу. Однак можливий і інший варіант – використання антен різного типу: штирьової (колінеарної) антени, яка встановлюється на верхівці щогли, та дипольної, яка розміщується на щоглі нижче.
Застосування двох окремих антен звільняє від необхідності використання поширеного компонента базової станції – дуплексного фільтра (дуплексера), який дозволяє підключати приймальний та передавальний тракт ретранслятора до однієї загальної антени. Дуплексний фільтр забезпечує відповідні параметри лише в дуже вузькій смузі частот, а переналаштування вимагає використання спеціалізованих приладів (доступні VNA не забезпечують необхідного динамічного діапазону) та досвіду. В умовах ймовірності виникнення завад від систем РЕБ або сусідніх базових станцій, використання конфігурації з двома антенами без дуплексера дозволяє оперативно змінювати частоти приймача або передавача базової станції.
З методикою розрахунку необхідного просторового рознесення між приймальною та передавальною антеною можна ознайомитися за посиланням: Методика розрахунку необхідного просторового рознесення приймальної та передаючою антен ретранслятора
Недоліками побудови високочастотного тракту базової станції в такій конфігурації є великі загальні розміри антенної системи, що практично унеможливлює використання ефективних багатоелементних антен, а також необхідність використання двох окремих фідерів. Крім того, в реальних умовах при вертикальному рознесенні антен існує безліч факторів, які можуть впливати на рівень розв’язки, на жаль, виключно в сторону її зменшення. Серед них – конструкція щогли, оточуючі металеві конструкції тощо. Частково рівень розв’язки можна підвищити шляхом встановлення в приймальному тракті додаткового смуго-пропускаючого (Horwin PF-xx) або смугово-режекторного (Horwin PRF-xx) фільтра.
Одноканальна базова станція — ретранслятор, який використовує одну антену для приймального та передавального трактів разом із дуплексним фільтром (дуплексером)
Найпоширенішим варіантом конфігурації базової станції є ретранслятор з дуплексним фільтром та єдиною антеною для передавача і приймача, оскільки в більшості випадків умови розташування обладнання базової станції не дозволяють забезпечити достатнє просторове рознесення антен для ефективної розв’язки.
Дуплексний фільтр або «дуплексер» – це високочастотний пристрій, який має два входи для підключення приймального та передавального трактів ретранслятора, а також вхід для підключення антени. Елементи фільтра налаштовані таким чином, щоб забезпечити безперешкодне проходження радіосигналу до антенного входу і одночасно максимально придушити радіосигнал від другого входу. Таким чином, дуплексер дозволяє використовувати одну антену для одночасного прийому та передачі сигналів на різних частотах.
Зазвичай входи дуплексера промарковані як Low – нижча (менша) частота налаштування, та High – вища (більша). Оскільки дуплексний фільтр забезпечує параметри лише в дуже вузькій смузі частот, на етикетці фільтра або в супровідній документації повинні бути вказані номінали частот Low/High.
На практиці в більшості вітчізняних систем УКХ радіозв’язку найчастіше використовуються малогабаритні («компактні») дуплексери на спіральних або об’ємних резонаторах. Такі дуплексери застосовуються, коли частоти прийому та передачі ретранслятора відрізняються більше ніж на 5 МГц у діапазоні VHF та більше ніж на 10 МГц у діапазоні UHF. Це забезпечує поєднання достатньої розв’язки і, відповідно, дальності зв’язку з невисокою вартістю та компактними розмірами обладнання ретрансляторів одно та багатоканальних базових станцій.
При меншій різниці частот (меншому рознесенні) використовуються дуплексні фільтри на об’ємних резонаторах з більшим перетином резонаторів (5”, 8”). При виборі дуплексного фільтра слід враховувати потужність передавача: найчастіше моделі дуплексерів виготовляються в варіантах до 50 Вт, до 100 Вт або більше, але це вже спеціальні моделі.
Розглянемо варіанти конфігурації ВЧ тракту одноканальної БС з використанням дуплексера.
Варіант 1
Одноканальна БС, потужність ретранслятора до 50 Вт, в безпосередній близькості немає передавачів інших БС.
Дуплексер, смугово-режекторний дуплексний фільтр Horwin DF-VM6-SL для VHF діапазону або DF-UM6-L для UHF, забезпечить достатній рівень розв’язки передавального та приймального трактів для забезпечення максимальної чутливості останнього.
При більшій потужності передавача (до 100 Вт) необхідно використовувати дуплексні фільтри Horwin DF-VM6SH та DF-UM6-H.
Варіант 2
Одноканальна базова станція, встановлена в місці, де в безпосередній близькості розташовані антени інших базових станцій, які використовують пари частот прийому/передачі, наближені до частот ретранслятора, зіштовхується з проблемою сторонніх перешкод від передавачів цих станцій. У таких умовах проблема може бути вирішена шляхом використання додаткового смугово-режекторного фільтра (Horwin PRF-VM6-xx, PRF-UM6-xx), який встановлюється в приймальному тракті ретранслятора між входом приймача та дуплексером. Максимальне придушення (режекція) встановлюється на частоті передавача ретранслятора. Це дозволяє додатково придушити сигнал з власного передавального тракту, а також значно знизити рівень сигналів від передавачів сусідніх базових станцій, частоти яких близькі до частоти передачі ретранслятора.
Використання додаткового фільтра забезпечує максимальну чутливість у приймальному тракті, навіть зважаючи на наявність сигналів від сусідніх базових станцій.
Багатоканальна БС зі спільною антеною
Системи радіозв’язку з великою кількістю абонентських радіостанцій або інтенсивним трафіком, а особливо транкінгові системи, найчастіше будуються на базі багатоканальних БС. Простим і компактним рішенням для побудови двох, трьох та чотириканальних базових станцій є використання так званих стійок АФП (Антенно-Фідерних Пристроїв). Використання сумуючого пристрою для об’єднання передавальних трактів та розподільчого пристрою для приймальних дозволяє використовувати одну антену для незалежної роботи всіх радіоканалів БС.
Реалізація розглядуваної конфігурації на базі так званих гібридних комбайнерів можлива за умови використання дуплексних пар частот прийому/передачі з невеликим рознесенням між сусідніми каналами. Діапазон рознесення визначається параметрами можливого налаштування дуплексного фільтра та комбайнера.
Функціональна схема стійки наведена на малюнку.
Складові частини стойки АФП:
- феритові ізолятори;
- фільтри низьких частот;
- гібридний комбайнер;
- малогабаритний дуплексний фільтр;
- смуго-режекторний фільтр;
- приймальна розподільча панель з компенсуючим малошумлячим підсилювачем.
Феритові ізолятори (Horwin CH-xx-xx) або «феритові циркулятори» забезпечують розв’язку між передавальними каналами з метою уникнення інтермодуляцій у вихідних каскадах передавачів. Коли потужний сигнал від сусідніх каналів потрапляє у вихідний каскад, основний сигнал і сигнали з сусідніх каналів взаємодіють, внаслідок чого утворюються додаткові складові вихідного сигналу (інтермодуляція), які можуть стати перешкодами для приймачів сусідніх каналів або інших базових станцій. Ізолятор виконує роль «клапана», який пропускає сигнал тільки в одному напрямку – від входу до виходу. Сигнали в напрямку вихід – вхід перенаправляються на окремий вихід, до якого підключається поглинаюче навантаження 50 Ом, на якому розсіюються (перетворюються в теплову енергію) рештки сигналів (які проникають через комбайнер). Для забезпечення максимальної нейтралізації інтермодуляції від сигналів сусідніх передавачів рекомендується використання подвійних ізоляторів.
Фільтр низьких частот (Horwin FLP-xx) використовується для послаблення другої та третьої гармонік сигналу, а також для зменшення позасмугових шумів передавачів, що можуть заважати приймачам інших діапазонів.
Гібридний комбайнер (Horwin CH-xx-xx) це пристрій, який дозволяє підключати декілька передавачів до однієї антени. Він фактично є суматором двох сигналів, що забезпечує розв’язку між каналами. Теоретично гібридний комбайнер призводить до ослаблення потужності кожного з сигналів на 3 дБ (у два рази по потужності). При практичній реалізації важливо не перебільшувати ослаблення та забезпечити достатньо високий рівень розв’язки. У комбінації з феритовими ізоляторами це забезпечує надійну роботу кількох передавачів на єдину антену без інтермодуляції у передавальних трактах.
Дуплексний фільтр (Horwin DF-xx–xx) забезпечує підключення передавальних трактів через комбайнер і приймальних трактів через розподільчу панель до єдиної антени.
Смуго-режекторний фільтр (Horwin PRF-хх-хх) забезпечує додаткове придушення сигналів від передавачів сусідніх каналів на вході приймального тракту.
Приймальна розподільча панель (Horwin MC-xx) включає схему дільника сигналу, яка забезпечує розподіл вхідного радіосигналу на приймальні тракти. Вона також забезпечує необхідний рівень розв’язки та містить малошумлячий підсилювач для компенсації втрат рівня радіосигналу, що виникають під час процесу ділення.
Зазвичай все перераховане вище обладнання компактно монтується на стандартній 19-дюймовій полиці. На фото представлена практична реалізація високочастотного тракту двохканальної базової станції для роботи з єдиною антеною.
Висновки
Незалежно від того, чи це одноканальна, чи багатоканальна базова станція, або стаціонарна абонентська радіостанція, високочастотний тракт має вирішальне значення для забезпечення радіопокриття та якості зв’язку. Тому кожен децибел підсилення, розв’язки, втрат і придушення – «Має Значення». При виборі компонентів тракту важливо використовувати якісні, надійні та, головне, правильно налаштовані високочастотні пристрої.
Ви можете встановити високу щоглу, подвоїти кількість елементів антени і отримати +3 децибели покращення рівня сигналу, підключити кабель з малими втратами, але неякісно налаштований дуплексер з недостатнім рівнем придушення сигналу передавача в приймальному тракті (наприклад, 60 дБ замість 80 дБ), плюс вносиме затухання більше 1,5 дБ, можуть звести нанівець всі ваші зусилля. Причому цю різницю ви не зможете виявити, проводячи вимірювання параметрів масовими доступними приладами типу Nano-VNA.