Секторные антенны применяют там, где связь должна работать не одинаково во все стороны, а в пределах определённого направления. В первую очередь такая схема характерна для базовых станций сотовой связи. Она используется и в частных сетях LTE и 5G, которые создают для промышленных предприятий, транспортных объектов и удалённых площадок. Секторные антенны также встречаются в системах широкополосного беспроводного доступа и сетях типа точка-многоточка. В традиционной профессиональной радиосвязи их применяют значительно реже.
Разделение территории на сектора позволяет направить радиосигнал туда, где находятся абоненты, организовать требуемую зону покрытия и эффективнее использовать возможности базовой станции. Наиболее известна схема из трёх направлений, когда вокруг одной точки устанавливают три антенны. Но количество секторов и их азимуты всегда определяются задачей конкретной сети.
После того как радиосхема сформирована, возникает инженерная задача размещения оборудования. Нужно поднять антенны на расчётную высоту, сохранить их положение под воздействием ветра и обеспечить возможность монтажа и обслуживания. Именно на этом этапе выбирают мачту. Её рассчитывают не по одному только количеству антенн, а по размерам и массе всего оборудования, ветровой площади, высоте установки, схеме крепления и условиям площадки.
Секторная схема сети
Секторная антенна работает в заданном направлении и обслуживает определённую часть территории. В системах связи часто используют три сектора, ориентированные по разным азимутам. В типовой схеме на одном ярусе устанавливают три антенны, каждая из которых работает в своём секторе.
В другом проекте две или четыре антенны могут быть направлены вдоль автомобильной дороги, железнодорожной линии, трубопровода или территории промышленного объекта. Где-то требуется круговое обслуживание площадки, а где-то связь нужна только в нескольких направлениях. Именно радиопланирование задаёт количество секторов, азимуты и высоту подвеса. Мачта должна обеспечить уже сформированную радиосхему, а не определять её вместо проектировщика связи.
На этом этапе полезно отделить количество секторов от количества антенн. Три сектора не всегда означают три панели. На одном направлении могут работать антенны разных диапазонов, а часть оборудования может быть объединена в многодиапазонной панели. Если систему планируют расширять, над первым ярусом может появиться второй с такой же схемой размещения. Для расчёта мачты важен фактический состав, а не условное название схемы.
Высота подвеса антенн
Высоту определяют по требуемой зоне покрытия, рельефу местности, окружающей застройке и результатам радиопланирования. Важно различать полную высоту конструкции и высоту точки подвеса антенн. Если верх мачты находится на отметке 30 метров, это ещё не означает, что центры всех антенн будут расположены на той же высоте. Часть пространства займут оголовок, рамы, технологические зазоры и элементы молниезащиты.
Для производителя нужна именно отметка установки каждого элемента. Если предусмотрено два яруса, указывают высоту обоих. Отдельно отмечают оборудование, которое размещается ниже: радиомодули, шкафы, усилители или дополнительные антенны. Такое распределение влияет на изгибающий момент и на поведение конструкции под ветром.
Принцип «чем выше, тем лучше» здесь не работает. С увеличением высоты растёт воздействие ветра на мачту, антенны и кабельные трассы. Одна и та же горизонтальная сила, приложенная выше, создаёт больший изгибающий момент у основания. Одновременно усложняются монтаж и обслуживание, повышаются требования к фундаменту или системе оттяжек.
Полная нагрузка на мачту
В исходных данных часто указывают только количество и массу секторных антенн. Для расчёта этого мало. Мачта несёт кронштейны и рамы, радиомодули, усилители, делители, кабели, кабельные лестницы, площадки обслуживания и элементы молниезащиты. Их вес суммируется, но также учитывается место установки каждого элемента.
Десять килограммов у основания и те же десять килограммов на верхней отметке по-разному влияют на конструкцию. Поэтому перечень оборудования должен содержать не только общую массу, но и распределение по высоте. Для антенн и крупных модулей нужны габариты, поскольку именно размеры определяют площадь, воспринимающую ветер.
Отдельная задача - крепёжная система. Иногда масса рамы и кронштейнов сопоставима с массой самих антенн. Широкая выносная рама увеличивает плечо приложения нагрузки. Если оборудование удалено от оси ствола, расчётная схема меняется, даже когда общий вес остаётся прежним.
Особенно важно заранее учитывать оборудование, которое установят позднее. Если второй комплект антенн появится через год, будущую нагрузку включают в расчёт сразу. Иначе готовая мачта может не иметь необходимого резерва, а её усиление на действующем объекте окажется сложнее и дороже первоначального выбора подходящей конструкции.
Ветровая нагрузка
Для мачты масса оборудования важна, но во многих проектах решающим параметром становится ветер. Секторная антенна представляет собой протяжённую панель. Под воздушным потоком она работает почти как парус и передаёт усилие через кронштейн на мачту.
В расчёте учитывают габариты и ветровую площадь каждой антенны, её форму, положение и высоту установки. Шесть узких панелей могут создавать меньшую нагрузку, чем три крупные антенны. Поэтому складывать только килограммы неправильно. Нужны паспорта или чертежи оборудования с размерами и массой, а при наличии также с указанной производителем ветровой нагрузкой.
Следующий фактор - площадка. Для неё определяют ветровой район, тип местности и гололёдные условия. На открытом поле, побережье, крыше высокого здания и среди плотной застройки одна и та же антенная система будет работать по-разному. На крыше необходимо учитывать, что воздушный поток у кромки здания может отличаться от условий на уровне земли.
Гололёд увеличивает не только массу элементов. Лёд меняет их размеры и площадь, на которую действует ветер. В результате одновременно возрастают вертикальные и горизонтальные усилия. Именно сочетание ветра и обледенения нередко определяет требуемую несущую способность.
Один или два яруса
Для расчёта необходимо знать азимут каждой антенны, отметку установки, вынос относительно оси мачты и способ крепления. Равномерное размещение оборудования вокруг ствола обычно позволяет лучше распределить нагрузку. Если основная часть антенн находится с одной стороны, помимо изгиба может возникать дополнительное кручение. Эти усилия должны воспринимать и ствол, и узлы крепления.
Три секторные антенны часто размещают на одном уровне. Если антенн шесть, возможны разные схемы: по две панели в каждом направлении на общей раме или разделение оборудования по высоте. Выбор зависит от размеров антенн, требований к взаимному расположению, конструкции кронштейнов и возможности обслуживания.
Один ярус делает антенную систему компактнее по высоте, но может потребовать более широкой и тяжёлой рамы. При большом выносе антенн возрастает нагрузка на крепления и появляется дополнительный момент. Кроме того, плотное расположение оборудования не всегда допустимо по условиям работы самих антенн.
Два яруса позволяют разнести панели и упростить их взаимное размещение. При этом верхний комплект оказывается выше и создаёт больший изгибающий момент. Добавляются рамы, крепления, кабели, а иногда лестница и площадка обслуживания. Поэтому второй ярус не является автоматическим решением для шести антенн. Его применяют тогда, когда такая схема нужна системе связи и подтверждена расчётом.
На практике полезно рассмотреть обе схемы до выбора мачты. Иногда компактный один ярус требует слишком массивной рамы. В другом случае два яруса неоправданно увеличивают высоту и нагрузку. Сравнение позволяет найти решение, которое удобно для монтажа и не создаёт лишнего металла.
Прочность и жёсткость мачты
Мачта должна не просто выдержать предельную нагрузку и остаться целой. Для нормальной работы связи важно, насколько сильно она отклоняется и закручивается под ветром. При заметном изменении положения направленной антенны её диаграмма направленности смещается, что может повлиять на качество канала.
Поэтому при проектировании проверяют прочность элементов, устойчивость конструкции и допустимые перемещения верхней части. Требования к жёсткости зависят от типа оборудования и назначения системы. Для широкой секторной антенны и для узконаправленной радиорелейной антенны допустимые отклонения могут быть разными.
Этот момент особенно важен при установке нескольких антенн на общей раме. Усилить только место крепления панели недостаточно. Необходимо оценить работу всей цепочки: антенна, кронштейн, рама, ствол, основание и фундамент. Слабое звено может находиться не там, где оно заметно при внешнем осмотре.
Тип мачты и условия установки
После определения высоты, массы оборудования, ветровой нагрузки и схемы размещения выбирают конструктивное исполнение. Универсального типа мачты для секторных антенн нет. Одна и та же антенная система может потребовать разных решений на земле, на крыше и на мобильной платформе.
Для постоянного наземного объекта при значительной высоте и большом количестве оборудования обычно рассматривают стальную секционную мачту. Если на площадке есть место для оттяжек и их можно правильно закрепить, такая схема позволяет получить эффективную по массе конструкцию. Вместе с тем оттяжки занимают территорию, требуют отдельных точек крепления и должны быть защищены от случайного повреждения.
Когда площадка ограничена или оттяжки разместить невозможно, выбирают свободностоящую конструкцию. Она не занимает дополнительное пространство растяжками, но передаёт значительный момент на основание. Поэтому требования к фундаменту и грунтам здесь выше. Решение нельзя принимать отдельно от проектирования основания.
Для установки на крыше особое значение имеют собственная масса мачты и способность здания воспринимать нагрузки. Здесь часто применяют более лёгкие алюминиевые конструкции. Но малый вес сам по себе не снимает вопрос расчёта. Необходимо проверить перекрытия, несущие элементы, точки крепления и передачу ветровых усилий на здание.
Телескопические и выдвижные мачты используют для временных и мобильных систем связи, в том числе на прицепах, автомобилях и санях. Их перевозят в сложенном виде и развёртывают непосредственно на площадке. Скорость развёртывания зависит от размеров мачты и оборудования. Лёгкая система с небольшой антенной поднимается за считанные минуты, а высокая конструкция с несколькими секторными антеннами требует подготовки основания, установки опор или растяжек и последовательного подъёма.
Для мобильной системы особенно важно разделять рабочее и транспортное положение. Проверяют габариты в сложенном виде, способ фиксации оборудования при перевозке, устойчивость платформы, допустимый ветер при подъёме и эксплуатации. Возможность быстро выдвинуть мачту не означает, что на неё можно установить любой комплект антенн.
Основание мачты
Мачта не работает отдельно от основания. Для наземной конструкции нагрузка передаётся на фундамент или пригрузную систему. Для крышной - на раму, перекрытия и несущие элементы здания. Для мобильной - на прицеп, кузов, опоры или сани. Если основание выбрано неправильно, запас прочности самой мачты не решит проблему.
На стационарной площадке учитывают характеристики грунта, уровень грунтовых вод, глубину промерзания, расположение подземных коммуникаций и возможность устройства анкеров. Для мачты с оттяжками дополнительно определяют положение и конструкцию всех точек крепления.
При использовании пригрузного основания необходимо предусмотреть место под блоки или другой балласт, пути доставки и распределение нагрузки по поверхности. На крыше важны не только общая масса, но и локальные усилия в местах опирания. Поэтому предварительно выбранную мачту согласовывают с проектировщиком здания или обследуют существующие конструкции.
Монтаж и обслуживание оборудования
Антенны необходимо не только поднять, но и смонтировать, подключить и впоследствии обслуживать. При выборе мачты проверяют, можно ли безопасно установить кронштейны, проложить кабели и получить доступ к оборудованию. Кабельные трассы не должны мешать подъёму специалиста, замене модулей или работе выдвижного механизма.
Для стационарной мачты заранее определяют способ монтажа: сборка секций на земле с последующим подъёмом, поэлементная установка или другой предусмотренный проектом вариант. На площадке должно быть достаточно места для складирования секций, работы подъёмной техники и безопасного перемещения монтажников. Условия монтажа способны повлиять на выбор конструкции не меньше, чем её расчётная высота.
Также предусматривают заземление, молниезащиту и места крепления радиомодулей. Если оборудование обслуживается непосредственно на высоте, может потребоваться лестница и площадка. Они увеличивают собственную массу конструкции и ветровую нагрузку, поэтому включаются в расчёт вместе с ограждением и всеми креплениями.
Доступ для обслуживания необходимо оценивать ещё на стадии компоновки. Если одна антенна перекрывает подход к другой, любая замена превращается в сложную монтажную операцию. Небольшая корректировка расстояний или расположения рам на стадии проекта может заметно упростить дальнейшую эксплуатацию.
Резерв для дальнейшего расширения
Заказчик нередко просит предусмотреть запас на будущее. Это разумно, если известно, какое оборудование планируется установить. Тогда в расчёт можно включить конкретную дополнительную массу, ветровую площадь и отметку размещения.
Формулировка «сделать мачту с большим запасом» без исходных данных приводит либо к недостаточной конструкции, либо к неоправданному удорожанию. Запас в килограммах не заменяет запас по ветровой нагрузке. Дополнительная лёгкая, но крупная антенна может оказаться существеннее тяжёлого компактного блока.
В проектах связи цена мачты обычно составляет лишь часть стоимости всего комплекса. При этом именно она удерживает оборудование и обеспечивает его расчётное положение. Экономия на несущей конструкции должна оцениваться не только по стоимости металла, но и по последствиям отказа: повреждению оборудования, остановке канала связи, повторному монтажу и простою объекта.
Рациональный выбор находится между двумя крайностями. Не нужна чрезмерно тяжёлая мачта, если задача решается более лёгкой конструкцией. Но нельзя уменьшать сечение, высоту опорной базы или количество креплений только ради снижения цены без проверки расчётом.
Размещение шести секторных антенн
Предположим, первоначально проект предусматривает три направления связи и один ярус из трёх секторных антенн. В дальнейшем систему необходимо расширить и установить ещё один комплект. В результате на мачте появятся шесть антенн, расположенных на одном или двух ярусах.
Для проверки такой возможности недостаточно удвоить массу первого комплекта. Необходимо знать размеры и массу новых панелей, их высоту подвеса, расстояние между антеннами, состав радиомодулей и кабелей. Если второй ярус не был предусмотрен первоначальным расчётом, существующая мачта может не иметь требуемого резерва.
Первый вариант - шесть компактных панелей размещаются на одной общей раме. Нагрузка распределена симметрично, дополнительное оборудование установлено ниже, а обслуживание выполняется без верхней площадки. В такой схеме высота антенного блока сравнительно невелика, но необходимо проверить ширину рамы, вынос панелей и ветровую площадь всего узла.
Второй вариант - те же шесть позиций разделены на два яруса. Панели крупнее, рядом с ними закреплены радиомодули, предусмотрены кабельные лестницы и площадка. Верхний ярус находится выше расчётной отметки первого. Количество антенн осталось тем же, но суммарная нагрузка, момент у основания, требования к фундаменту и условия монтажа изменились существенно.
Третий вариант - шесть антенн устанавливаются на мобильной платформе. Здесь к рабочим нагрузкам добавляются ограничения по устойчивости основания, времени развёртывания, транспортным габаритам и допустимому ветру. Возможно, часть оборудования придётся устанавливать после подъёма мачты или применять иную компоновку.
Исходные данные для подбора мачты
Чем полнее исходные данные, тем быстрее можно перейти от общего запроса к конкретному решению. Для предварительного подбора мачты нужны:
- место установки и тип площадки: грунт, крыша или мобильная платформа;
- требуемая высота точки подвеса оборудования;
- модели, количество, размеры и масса секторных антенн;
- азимуты, количество ярусов и предполагаемая схема размещения;
- перечень кронштейнов, радиомодулей, кабелей, площадок и другого оборудования;
- ветровой и гололёдный районы, минимальная температура и другие условия площадки;
- ограничения по доставке, монтажу и размещению оттяжек;
- планы по последующему увеличению количества оборудования.
Что определяет выбор мачты
Количество секторных антенн помогает кратко описать задачу, но не позволяет выбрать мачту. Конструкция рассчитывается под весь комплект оборудования, его расположение по высоте, ветровые и гололёдные условия, требования к жёсткости и особенности основания.
Чем точнее исходные данные, тем точнее выбор. Это позволяет избежать двух крайностей: слишком слабой конструкции, которая не обеспечит требуемую надёжность, и неоправданно тяжёлой мачты с лишними затратами на изготовление, фундамент и монтаж.
Инженеры ComTech могут выполнить предварительный подбор по перечню оборудования и параметрам объекта, предложить схему размещения и определить конструкцию, которую затем необходимо рассчитать и включить в проект.