ПРИМЕНЕНИЕ ТЕХНОЛОГИИ ИЗОГНУТЫХ MIMO АНТЕННЫХ РЕШЕТОК ДЛЯ СЕТЕЙ ПЯТОГО ПОКОЛЕНИЯ

DOI 10.36622/VSTU.2021.17.3.014 УДК 621.396

ПРИМЕНЕНИЕ ТЕХНОЛОГИИ ИЗОГНУТЫХ MIMO АНТЕННЫХ РЕШЕТОК ДЛЯ СЕТЕЙ ПЯТОГО ПОКОЛЕНИЯ

И.А. Баранников, К.А. Бердников, С.И. Деревянкин, Е.А. Ищенко, А.И. Сукачев,

С.М. Фёдоров

Воронежский государственный технический университет, г. Воронеж, Россия

Аннотация: рассматривается гибкая MIMO антенная решетка для сетей пятого поколения, которая способна обеспечить работу в миллиметровом диапазоне волн (mmWave). Разработанная MIMO антенная решетка, способная обеспечить прием и передачу сигналов в диапазоне n258 (24,25-27,5 ГГц) и n261 (27,5-28,35 ГГц). При исследовании было определено влияние изгиба антенного элемента на характеристики матрицы рассеивания (S-параметры), диаграммы направленности, коэффициента полезного действия. При применении изогнутой MIMO антенной решетки было обнаружено, что при малом радиусе изгиба происходит улучшение коэффициента корреляции огибающей, при этом эффективность сложения в MIMO системе не изменяется при формировании изгиба. При исследовании рассматривались изгибы радиусом 100 мм, 250 мм, 500 мм. Применение изогнутых антенных решеток позволяет установить большее число базовых станций с антеннами миллиметрового диапазона волн, что позволяет обеспечить наилучшее покрытие 5G mmWave, так как именно в этом диапазоне волн достигаются основные характеристики сетей пятого поколения: малая задержка при передаче сигналов (1 мс), высокая скорость передачи данных (1 Гбит/с). Развитие сетей пятого поколения открывает новые возможности для каждого пользователя не только в области потребления информации, но и в технологиях Интернета вещей

Ключевые слова: MIMO, 5G mmWave, изогнутая антенна

Введение

Сети пятого поколения позволяют достичь новых показателей в качестве получения информации, так как обладают высокой скоростью передачи, малой задержкой. Для реализации требуемых значений скоростей передачи и приема (более 1 Гбит/с каждому подключенному) применяется несколько технологий:

1) MIMO технология, на основе которой формируются антенные решетки, обеспечивающие многоканальную передачу информации;

2) высокая спектральная эффективность;

3) применение антенн миллиметрового диапазона (mmWave).

Для обеспечения повсеместного доступа к сетям пятого поколения миллиметрового диапазона требуется устанавливать большое количество антенн. В работе авторов [1] исследуется возможность построения антенной решетки миллиметрового диапазона (mmWave). Однако для сетей пятого поколения очень важно, чтобы при внедрении технологии изогнутых MIMO антенных решеток миллиметрового диапазона не происходило серьезных искажений диаграмм направленности, основных параметров MIMO системы (коэффициента корреляции,

эффективности сложения, коэффициента усиления при разнесенном режиме).

Применение изогнутых антенных решеток позволяет найти новые места установок антенн в городах.

Основные параметры MIMO антенных решеток

При описании работы MIMO антенной решетки очень важно обеспечить малую корреляцию каналов в режиме приема и передачи информации. Для определения данного параметра применяется коэффициент корреляции огибающей:

ЕСС

ff\K(8,<P)\2dn.-tf\F;(8,<P)\2dn. '

© Баранников И.А., Бердников К.А., Деревянкин С.И., Ищенко Е.А., Сукачев А.И., Фёдоров С.М., 2021

где ЕСС - коэффициент корреляции MIMO; Fn(e, ф) - диаграмма направленности антенны; * - обозначает взятие комплексно-сопряженного числа.

Другим методом расчета данного параметра является выражение на основе S-параметров антенной решетки [2], однако данный расчет возможен только в случаях, когда КПД антенн выше 90%, что практически недостижимо для планарной технологии изготовления антенн (как правило КПД в таких антеннах около 80%).

На основе ЕСС рассчитывается коэффициент усиления при разнесенном режиме:

DG = 10 •VI -ЕСС ,

где DG - коэффициент усиления при разнесенном режиме;

ЕСС - коэффициент корреляции огибающей, может быть рассчитан в соответствии с (1).

После приема сигналов в MIMO режиме требуется произвести их сложение [3], данная характеристика определяется в соответствии с:

МЕ = ^rllrl2(1-ECC) .

Как было исследовано в работе [4], при расстоянии между антенными элементами более 0,21 обеспечивается стабильное функционирование антенной решетки в mmWave диапазоне.

Выбор типа излучателя

В качестве исследуемого излучателя была выбрана двухслойная патч-антенна с микропо-лосковой линией питания [5]. Для построения антенн, работающих в миллиметровых диапазонах, особо важными являются диоптрические подложки. Для реализации антенн, работающих в диапазонах частот сверх 20 ГГц, возможно использование высокостабильных диэлектриков или сложных диэлектрических структур [6].

Схематические изображения рассматриваемой антенны приводятся на рис. 1.

Ht »

*

нь _

а)

I-»— wt —н

б)

Рис. 1. Модель исследуемой антенны

В качестве материала двухслойного диэлектрика выступали 2 слоя RO4003C толщиной 305 мкм, обладающие диэлектрической проницаемостью ег = 3,38. Размеры одного антенного элемента приводятся в таблице.

Размеры патч-антенны

Wb, мм Lb, мм Wt, мм Lt, мм Sx, мм Sy, мм Ht; Hb, мкм

2,091 2,613 1,986 2,483 1,673 2,091 305

Из рассчитанных антенных элементов была сформирована MIMO антенная решетка 4x4, которая должна обеспечивать функционирование в частотном диапазоне 24,25-24,65 ГГц, который соответствует mmWave диапазону 5G, выделенному для ПАО «МТС».

Исследование влияния изгиба MIMO антенной решетки на характеристики

Для определения рабочего диапазона антенной решетки произведем моделирование S-параметров антенного элемента без изгиба (рис. 2).

У

Л

Рис. 2. Антенный элемент

Полученный в процессе моделирования график Sll-параметров приводится на рис. 3, на графике отмечены диапазоны mmWave 5G, входящие в диапазон, когда значение графика менее -10 дБ (КСВН=2).

S-Patameteis [MagnlHictel

""— I I a £ i

\ s

\ [ J I 7¡

\ j i; S 1 s S a s

\ 1

г i

____________i____________S___________¡

i

Рис. 3. Sn-параметры антенного элемента

В процессе исследования производилось исследование 4 MIMO антенных решеток:

1) плоская антенная решетка без изгиба (рис. 4а);

2) антенная решетка с изгибом R=100 мм (рис. 4б);

3) антенная решетка с изгибом R=250 мм (рис. 4в);

4) антенная решетка с изгибом R=500 мм (рис. 4г).

Такие радиусы изгиба позволяют сформировать несколько видов антенных решеток, которые возможно установить в базовых станциях, которые для реализации повсеместного покрытия сетями 5G миллиметрового диапазона требуют частого размещения.

антенного элемента, однако изменения незначительны, что позволяет предполагать отсутствие серьезных искажений диаграмм направленности.

Total Efficiency [Magnltude]

.......... ........... i .....

/

;

-Tot. Efficiency [1] Piste r-Tot. Efficiency [1) R=100 •-Tot. Efficiency [1] R=2S0

- Tot. Efficiency [11 R=SOO

*г

24.25, 0.9260167 )

4.25 25 25.5 26 2

Frequency /

Рис. 6. КПД антенного элемента

а)

Полученные зависимости показывают, что внедрение изгиба в антенную систему не приводит к серьезному изменению КПД.

б)

В)

г)

Рис. 4. Рассматриваемые изгибы антенных решеток

Произведем сравнение полученных MIMO антенных решеток по ряду основных параметров:

1) Sn-параметры антенного элемента в составе решетки (рис. 5);

2) КПД антенного элемента (рис. 6);

3) характеристики диаграммы направленности на частоте f=24,25 ГГц (рис. 7).

S-Parameters [Magnitude]

\; Г

N

...... .......""

— Sl,l R=2S0

— 51,1 R=500

24.25 24.5 25

26 26.5

Frequency / GHz

Рис. 5. S11-параметры антенного элемента

Как видно, по полученным графикам при увеличении крутизны изгиба (уменьшение радиуса) 811-параметры становятся ниже, что должно позитивно сказаться на эффективности

Рис. 7. Диаграмма направленности антенного элемента на частоте f=24,25 ГГц

Полученные диаграммы направленности показывают, что отсутствует серьезное искажение диаграмм направленности, так наибольший КНД наблюдался при отсутствии изгиба и составлял 8,69 дБи, наименьший составил 8,65 дБи при изгибе с R=100 мм; направление излучения во всех случаях составляет 6°. Уровень боковых лепестков при плоской антенной решетке составил -16 дБ, наибольшее значение наблюдалось при R=100 мм и составило -15,7 дБ.

Наиболее важными параметрами для MIMO антенной решетки являются коэффициенты корреляции и эффективности сложения, которые определяют эффективность работы системы. Так как антенная решетка предназначена для работы в режиме 4x4 требуется рассчитать 3 коэффициента корреляции для каждого антенного элемента, однако ввиду симметричности задачи коэффициент корреляции для каждой комбинации антенн будет соответ-

ствовать определенному для первого с поправкой на взаимное месторасположение антенн. Расположение антенных элементов при определении коэффициента приведено на рис. 8.

Как видно по полученным результатам, наличие изгиба позволяет снизить коэффициент корреляции, что позитивно сказывается на характеристиках работы MIMO антенной решетки. Наименьший коэффициент корреляции наблюдается при радиусе изгиба равном 100 мм, наибольший при отсутствии изгиба. Наиболее коррелируемы между собой антенные элементы, которые расположены друг напротив друга (1 и 4), что вызвано особенностями диаграмм направленности.

Произведем аналогичное исследование для эффективности сложения в MIMO антенной решетке. Полученные коэффициенты ME для 1 и 2 антенного элемента приведены на рис. 12; 1 и 3 - рис. 13; 1 и 4 - рис. 14.

Рис. 8. Расположение антенн при определении ЕСС

Полученные коэффициенты корреляции для 1 и 2 антенного элемента приведены на рис. 9; 1 и 3 - рис. 10; 1 и 4 - рис. 11.

Рис. 9. ECC для 1 и 2 антенных элементов

Frequency / G

Рис. 10. ECC для 1 и 3 антенных элементов

Рис. 11. ECC для 1 и 4 антенных элементов

Рис. 12. ME для 1 и 2 антенных элементов

DlrecHvlty,3D,Muiaplexlng Hfideney_l

/

ж /

/

/

ж

i i. .i

- НЕ Píate >-MER=100

— ME R=25G

-HE R=500

26 26.5

Frequency / GHz

Рис. 13. ME для 1 и 3 антенных элементов

Рис. 14. ME для 1 и 4 антенных элементов

Полученные зависимости показывают, что изменение эффективности сложения в зависимости от изгиба MIMO антенной решетки невелико, что показывает возможность примене-

ния изогнутых антенн, так как их основные характеристики изменяются не сильно относительно изначальных.

Заключение

В процессе исследования изучались изогнутые MIMO антенные решетки для 5G mmWave связи. Полученные зависимости показывают, что применение изогнутых антенн не приводит к серьезным изменениям характеристик антенн, что открывает новые возможности при разработке антенн для частот миллиметрового диапазона, так как для обеспечения широкого покрытия требуется установка большого числа базовых станций с такими антеннами.

Литература

1. Conformai Antenna Array for Millimeter-Wave Communications: Performance Evaluation / V. Semkin, A. Bisognin, M. Kyro, V-M. Kolmonen, C. Luxery, F. Ferrero, F.

Devillers, A.V. Raisanen // International Journal of Microwave and Wireless Technologies. 2017. V. 9. № 1. pp. 241247.

2. Blanch S., Romeu J., Corbella I. Exact representation of antenna system diversity performance from input parameter description // Electronics letters. 2003. V. 39. № 9. pp. 705-707.

3. Tian R., Lau B.K., Ying Z. Multiplexing Efficiency of MIMO Antennas // IEEE Antennas and Wireless Propagation Letters. 2011. V. 10. pp. 183-186.

4. Исследование влияния расстояния между антеннами в MIMO антенной решетке для сетей пятого поколения / С.А. Антипов, Е.А. Ищенко, В.Н. Кострова, К.А. Разинкин, Д.А. Стежкин, С.М. Фёдоров // Вестник Воронежского государственного технического университета. 2020. Т. 16. № 4. С. 91-95.

5. Legay H., Shafai L. New Stacked Microstrip Antenna with Large Bandwidth and High Gain // IEE Proc. Microwave, Antennas and Propagation. 1994. V. 141. № 3. pp. 199204.

6. Синтез высокочастотных диэлектрических структур с контролируемой диэлектрической проницаемостью методом трехмерной печати / А.М. Бобрешов, П.А. Кретов, М.П. Ряполов, Е.А. Сбродов, К.В. Смусева, Г.К. Усков // Радиолокация, Навигация, Связь. 2019. Т. 5. С. 54-60.

Поступила 14.02.2021; принята к публикации 21.06.2021 Информация об авторах

Баранников Илья Андреевич - студент, Воронежский государственный технический университет (394006, Россия, г. Воронеж, ул. 20-летия Октября, 84), тел. +7(473)243-77-29, e-mail: 8thbar@gmail.com

Бердников Кирилл Алексеевич - студент, Воронежский государственный технический университет (394006, Россия, г. Воронеж, ул. 20-летия Октября, 84), тел. +7(473)243-77-29, e-mail: kir_ber@mail.ru

Деревянкин Сергей Игоревич - студент, Воронежский государственный технический университет (394006, Россия, г. Воронеж, ул. 20-летия Октября, 84), тел. +7(473)243-77-29, e-mail: derevyankin_sergej@bk.ru, ORCID: https://orcid.org/0000-

0001-8883-8446

Ищенко Евгений Алексеевич - студент, Воронежский государственный технический университет (394006, Россия, г. Воронеж, ул. 20-летия Октября, 84), тел. +7(473)243-77-29, e-mail: kursk1998@yandex.ru, ORCID: https://orcid.org/0000-

0002-5270-0792

Сукачев Александр Игоревич - старший преподаватель кафедры радиоэлектронных устройств и систем, Воронежский государственный технический университет (394006, Россия, г. Воронеж, ул. 20-летия Октября, 84), тел. +7(473)243-77-29, e-mail: mag.dip@yandex.ru

Фёдоров Сергей Михайлович - канд. техн. наук, доцент кафедры радиоэлектронных устройств и систем, Воронежский государственный технический университет (394006, Россия, г. Воронеж, ул. 20-летия Октября, 84), тел. +7(473)243-77-29, e-mail: fedorov_sm@mail.ru, ORCID: https://orcid.org/0000-0001-9027-6163

APPLYING CONFORMAL MIMO ANTENNA ARRAYS FOR FIFTH GENERATION

NETWORKS

I.A. Barannikov, K.A. Berdnikov, S.I. Derevyankin, E.A. Ishchenko, A.I. Sukachev,

S.M. Fyedorov

Voronezh State Technical University, Voronezh, Russia

Abstract: the article discusses a flexible MIMO antenna array for fifth generation networks, which is capable of providing operation in the millimeter wave (mmWave). The developed MIMO antenna array is capable of providing reception and transmission of signals in the n258 (24.25-27.5 GHz) and n261 (27.5-28.35 GHz) ranges. In the study, we determined the influence of the bending of the antenna element on the characteristics of the scattering matrix (S-parameters), the directivity diagram, and the efficiency. When using a curved MIMO antenna array, we found that at a small bend radius, an improvement in the envelope correlation coefficient occurs, while the addition efficiency in a MIMO system does not change during bending formation. The study considered bends with a radius of 100 mm, 250 mm, 500 mm. The use of curved antenna arrays allows the installation of a larger number of base stations with antennas of the millimeter wavelength range, which allows one to pro-

vide the best 5G mmWave coverage, since it is in this wavelength range that the main characteristics of fifth generation networks are achieved: low signal transmission delay (1 ms), high data transfer rate (1 Gbps). The development of fifth generation networks opens new opportunities for each user, not only in the field of information consumption but also in the technologies of the Internet of Things

Key words: MIMO, 5G mmWave, conformal antenna

References

1. Semkin V., Bisognin A., Kyro M., Kolmonen V-M., Luxery C., Ferrero F., Devillers F., Raisanen A.V. "Conformal antenna array for millimeter-wave communications: performance evaluation", Int. J. of Microwave and Wireless Technologies, 2017, vol. 9, no. 1, pp. 241-247.

2. Blanch S., Romeu J., Corbella I. "Exact representation of antenna system diversity performance from input parameter description", Electronics Letters, 2003, vol. 39, no. 9, pp. 705-707.

3. Tian R., Lau B.K., Ying Z. "Multiplexing efficiency of MIMO antennas", IEEE Antennas and Wireless Propagation Letters, 2011, vol. 10, pp. 183-186.

4. Antipov S.A., Ishchenko E.A., Kostrova V.N., Razinkin K.A., Stezhkin D.A., Fedorov S.M. "Investigation of the effect of the distance between antennas in a MIMO antenna array for fifth generation networks", Bulletin of Voronezh State Technical University (Vestnik Voronezhskogo gosudarstvennogo technicheskogo universiteta), 2020, vol. 16, no. 4. pp 91-95.

5. Legay H., Shafai L. "New stacked microstrip antenna with large bandwidth and high gain", IEE Proc. Microwave, Antennas and Propagation, 1994, vol. 141, no. 3, pp. 199-204.

6. Bobreshov A.M., Kretov P.A., Ryapolov M.P., Sbrodov E.A., Smuseva K.V., Uskov G.K. "Synthesis of high-frequency dielectric structures with controlled dielectric permittivity using 3d printing", RLNC*2019, 2019, vol. 5, pp. 54-60.

Submitted 14.02.2021; revised 21.06.2021

Information about the authors

Il'ya A. Barannikov, student, Voronezh State Technical University (84 20-letiya Oktyabrya, Voronezh 394006, Russia), tel. +7 (473)243-77-29, e-mail: 8thbar@gmail.com

Kirill A. Berdnikov, student, Voronezh State Technical University (84 20-letiya Oktyabrya, Voronezh 394006, Russia), tel. +7 (473)243-77-29, e-mail: kir_ber@mail.ru

Sergey I Derevyankin, student, Voronezh State Technical University (84 20-letiya Oktyabrya, Voronezh 394006, Russia), tel. +7 (473)243-77-29, e-mail: derevyankin_sergej@bk.ru, ORCID: https://orcid.org/0000-0001-8883-8446

Evgeniy A. Ishchenko, student, Voronezh State Technical University (84 20-letiya Oktyabrya, Voronezh 394006, Russia), tel. +7 (473)243-77-29, e-mail: kursk1998@yandex.ru, ORCID: https://orcid.org/0000-0002-5270-0792

Aleksandr I. Sukachev, Assistant Professor, Voronezh State Technical University (84 20-letiya Oktyabrya, Voronezh 394006, Russia), tel. +7 (473)243-77-29, e-mail: mag.dip@yandex.ru

Sergey M. Fyedorov, Cand. Sc. (Technical), Associate Professor, Voronezh State Technical University (84 20-letiya Oktyabrya, Voronezh 394006, Russia), tel. +7 (473)243-77-29, e-mail: Fedorov_sm@mail.ru, ORCID: https://orcid.org/0000-0001-9027-6163