Антенная решетка с круговой диаграммой направленности для систем WiMAX

В.В. Вереитин,

АО ВНИИ «Вега», г. Воронеж

А.И. Климов

доктор технических наук, доцент

АНТЕННАЯ РЕШЕТКА С КРУГОВОЙ ДИАГРАММОЙ НАПРАВЛЕННОСТИ ДЛЯ СИСТЕМ WiMAX

OMNIDIRECTIONAL ANTENNA ARRAY FOR WiMAX APPLICATIONS

Представлены результаты разработки широкополосной микрополосковой антенной решетки с круговой диаграммой направленности для применения в системах WiMAX. Полоса рабочих частот антенны 5,4—6,2 ГГц, коэффициент усиления не менее 6,5 дБ, неравномерность диаграммы направленности в азимутальной плоскости не превышает 1,2 дБ.

Results of design of a wideband microstrip omnidirectional antenna array for WiMAX applications are presented. The operational frequency range of the antenna is 5,4-6,2 GHz, the antenna gain is not less than 6,5 dBi and the irregularity of the radiation pattern in the azimuth plane does not exceed 1,2 dB.

В системах широкополосного радиодоступа, в частности WiMAX, используются антенны вертикальной поляризации с круговой диаграммой направленности (ДН) в азимутальной плоскости. Простейшие антенны такого типа выполнены в виде линейных антенных решеток с последовательным или параллельным питанием. При требуемом КУ 9—10 дБ в фиксированном направлении в азимутальной плоскости первый вариант характеризуется минимальными габаритами и узкой (около 1%) полосой рабочих частот, второй — несколько большими габаритами и более широкой полосой частот (5—10 %).

Классический способ построения антенны вертикальной поляризации с круговой ДН шириной порядка 10—15° в меридиональной плоскости предполагает использование линейной антенной решетки из несколько синфазных коллинеарных излучателей [1—3].

Широко известны коаксиальные коллинеарные антенны, в зарубежной научно-технической литературе называемые СОСО антеннами. Недостатками СОСО антенн являются низкая технологичность конструкции и частотная зависимость формы ДН и направления максимального излучения, присущие всем линейным антенным решетками с последовательным питанием. В СОСО антенне внешние и внутренние проводники полуволновых отрезков коаксиального кабеля соединены перекрестно. Внутренний проводник и внутренняя поверхность экранирующей оплетки кабеля служат линией питания, к которой подключаются излучатели в виде эквивалентных вибраторов, образованных внешними поверхностями экранирующих оплеток.

Если в качестве излучателей решетки использовать отрезки несимметричных микрополосковых линий, то антенна может быть выполнена по печатной технологии, что упрощает изготовление и обеспечивает повторяемость параметров.

Такой вариант антенны, сокращенно называемый ОМА (Omnidirectional Micro Strip Antenna) [1—3], отличается компактностью, технологичностью и возможностью формирования спадающего к краям решетки амплитудного распределения для снижения уровня боковых лепестков (УБЛ) ДН в меридиональной плоскости.

Однако и для антенны ОМА при требуемом КУ 9—10 дБ и выше характерна узкая полоса рабочих частот, в которой достигается приемлемое согласование по входу и ДН наименее отклоняется от нормали к оси антенны. ОМА состоит из чередующихся через половину длины волны в полосковой структуре излучающих секций несимметричной полосковой линии передачи, причем от секции к секции широкие и узкие участки полосковой линии на противоположных сторонах диэлектрической подложки меняются местами. Таким образом, секции образуют синфазно возбужденные полуволновые излучатели, решетка которых формирует максимальное излучение в направлениях нормали к своей продольной оси. Принцип действия ОМА и ее базовая конструкция защищены патентом США [2]. ОМА характеризуются сравнительно невысоким коэффициентом усиления. Собственно, указанные значения вполне приемлемы для антенн с круговыми диаграммами направленности, ширина которых в вертикальной плоскости составляет в среднем 10—20 град. при типичном уровне боковых лепестков порядка -(7—10) дБ.

В работе [3] приведены характеристики и предложено несколько вариантов конструктивного исполнения микрополосковых коллинеарных антенн (МПКА) для систем Wi-Fi (стандарты 802.11b/g, диапазон частот 2400—2480 МГц). При длине антенн 0,5 м они имеют коэффициент направленного действия (КНД) около 10 дБ. В вертикальной плоскости ширина ДН обеих антенн по уровню половинной мощности равна 12о. При питании антенн с одного конца направление максимального излучения зависит от частоты и в указанном диапазоне может отклоняться на 2—3о

Для устранения эффекта частотного сканирования ДН и расширения полосы рабочих частот антенны ОМА за счет фиксации главных лепестков ДН в направлениях, перпендикулярных продольной оси антенны, в работе [5] предложен ее модифицированный вариант с центральным питанием, реализующий параллельно-последовательное возбуждение излучателей, сгруппированных в две симметричные подрешетки, как показано на рис. 1.

Однако в [5] нет данных о возможном искажении ДН в азимутальной плоскости из-за влияния питающего кабеля.

20.

( м- ( ^ j 40 42- { XV 33

56(с; 32 Е SOFT SOLDER ALCNS ENTIRE

64M ^^NOTE: SOFT SOLDER ALCNS Ef

EDGE JOINING CABLE TO РСБ.

FGURE 1

PC BOARD FABRICATION DR LL DRAWING

SOFT S3LTra

5+(b) 40(a) 42(a) ¿4(a) 46(c; 48(o) 50(c) e2{o) /— SOFT SOLDER

V 3f / ,/ ./. ..M./'66:./65) /'™> J72-.tt

г ы ЬуЧ H—i ^н—i jE—i H-—I _E—i M ^-^ri

FIGL^E 1

Рис. 1. Модифицированная ОМА

Известны и другие варианты ОМА, например двухдиапазонные антенны [7] и антенны со спадающим амплитудным распределением токов в полосковых излучателях, обеспечивающие пониженный УБЛ ДН, например, антенна КВЧ диапазона [8].

В данной статье приведены результаты разработки микрополосковой ОМА с центральным питанием с помощью двухпроводной полосковой линии, рассчитанной для использования в аппаратуре WiMAX в полосе частот 5,4—6,2 ГГц.

Предлагаемая конструкция антенны показана на рис. 2, на котором обозначены: 1 — питающая коаксиальная линия передачи; 2 — собственно антенна, состоящая из диэлектрической подложки (3), системы верхних (4) и нижних (5) полосковых проводников, излучающих секций (6) и симметрирующих ДН полосковых проводников (7).

В рассматриваемой антенне питание подрешеток излучающих элементов (секций) производится в центре всей решетки, что обеспечивает в рабочей полосе частот максимальное излучение в поперечных по отношению к оси решетки (ОУ) направлениях. При этом указанное расположение проводников питающей линии передачи обеспечивает меньшую неравномерность азимутальной ДН антенны по сравнению с названными выше известными вариантами ОМА.

z

Рис. 2. ОМА с параллельно-последовательным питанием

Компьютерное моделирование антенны выполнено с помощью программы НЕББ. В модели для компьютерного моделирования электрических характеристик антенны в качестве материала подложки полосковой конструкции предусмотрено использование фольгированного диэлектрика Я04003С с е=3,38±0,05 и tgS=0,0027 на частоте 10 ГГц, выпускаемого в виде листов стандартизованной толщины (включая выбранное значение й=0,51 мм). Расчетная длина подложки составляет 250 мм с учетом рассчитанных значений периода расположения и числа излучающих секций. Ширина подложки (22 мм) выбрана так, чтобы от крайних полосковых проводников до краев подложки укладывалось бы не менее трех значений ширины проводника полосковой линии (1 мм). Длины всех излучающих секций одинаковы: £=13,5 мм; ширина полоскового элемента Ж=8 мм. Размеры излучающей части антенны 250*22*0,52 мм3. В антенне применен перпендикулярный коаксиально-полосковый переход для подключения антенны к приемопередатчику с помощью питающего коаксиального кабеля с волновым сопротивлением 50 Ом.

НРвБМоскэИ ^

Рис. 3. Частотная характеристика КСВ

Результаты компьютерного моделирования электрических характеристик антенны иллюстрируются рис. 3—7, на которых приведены: частотная характеристика КСВ в питающей 50-омной линии передачи; частотные характеристики КНД Б, КУ О, КУ ОЯ (с учетом рассогласования антенны по входу); пример пространственной ДН антенны, а также сечений ДН в меридиональной (Е) и азимутальной (Н) плоскостях на нижней, средней и верхней рабочих частотах.

9.00 —,--------

......

------

0 _0 5. 0 ^ 5, ? геа 0 5. БНг) 0 6. 0 0

Рис. 4. Частотные характеристики антенны: сплошная линия — КНД Б, пунктир — КУ О, точки — КУ ОЯ

20

HFSSModetl А

Thêta [deg]

Рис. 5. Диаграммы направленности антенны в меридиональной плоскости; сплошная линия — на частоте 5,8 ГГц, пунктир — 6,2 ГГц, точки — 5,4 ГГц

HFSSModeH

Thêta [deg]

Рис. 6. ДН антенны в азимутальной плоскости; сплошная линия — на частоте 5,8 ГГц,

пунктир — 6,2 ГГц, точки — 5,4 ГГц

Рис. 7. Пример пространственной ДН на частоте 5,8 ГГц

Анализ полученных при компьютерном моделировании электрических характеристик антенны показал, что в полосе частот 5,4—6,2 ГГц минимальный коэффициент усиления антенны составил 6,5 дБ, максимальный - 7,8 дБ; ширина ДН в меридиональной (вертикальной) плоскости 15 град.; уровень боковых лепестков не более -8,5 дБ; неравномерность ДН в азимутальной (горизонтальной) плоскости не более 1,2 дБ. Коэффициент стоячей волны напряжения в питающей 50-омной коаксиальной линии передачи — в пределах (1,3—2,1).

Таким образом, предложенная микрополосковая антенна WiMAX с центральным питанием характеризуется широкой полосой рабочих частот 14%) при достаточно высоком коэффициенте усиления и низкой неравномерности диаграммы направленности в азимутальной плоскости.

ЛИТЕРАТУРА

1. Bancroft R. An Omnidirectional Planar Microstrip Antenna // Submitted for publication on April 30, 2003 to IEEE Transactions on Antennas and Propagation.

2. Pat. 7518554 B2 (US), H 01 Q 1/38. Antenna Arrays and Method of Making the Same / R. Bancroft, B. Bateman (US). — N 11/382190: 08.05.2006; Date of Patent 14.04.2009.

3. Коноваленко М. О., Буянов Ю. И. Микрополосковая коллинеарная антенна // Журнал радиоэлектроники. — 2012. — № 2.

4. Продукция: Delta Satellite [Электронный ресурс]. — Режим доступа : http://www.deltasat.ru/index.php/catalog/category/60 (дата обращения: 15.04.2012).

5. Pat. Appl. Publ. US 2009/0128414 A1 (US), H 01 Q 9/04. High Gain OmniDirectional Antenna / Jr-Ren Jeng (TW). — N 11/941225: 11.11.2007; Pub. Date 21.05.2009.

6. Pat. 5963168 (US), H 01 Q 1/38. Antenna Having Double-Sided Printed Circuit Board with Collinear, Alternating and Opposing Radiating Elements and Microstrip Transmission Lines / Michael L. Brennan (Us). — N 08/787210: 22.01.1997; Date of Patent 05.10.1999.

7. Wei K. P., Zhang Z. J., Feng Z. H. Design of a Dualband Omnidirectional Planar Microstrip Antenna Array // Progress In Electromagnetics Research. 2012. — Vol. 126. — P. 101-120.

8. Антипов С. А., Климов А. И., Юдин В. И. Микрополосковая антенная решетка миллиметровых волн с круговой диаграммой направленности // Вестник ВГТУ. — 2015. — Т. 11. —№ 6. — С. 121—125.

REFERENCES

1. Bancroft R. An Omnidirectional Planar Microstrip Antenna // Submitted for publication on April 30, 2003 to IEEE Transactions on Antennas and Propagation.

2. Pat. 7518554 B2 (US), H 01 Q 1/38. Antenna Arrays and Method of Making the Same / R. Bancroft, B. Bateman (US). — N 11/382190: 08.05.2006; Date of Patent 14.04.2009.

3. Konovalenko M. O., Buyanov Yu. I. Mikropoloskovaya kollinearnaya antenna // Jurnal radioelektroniki. — 2012. — № 2.

4. Produktsiya: Delta Satellite [Elektronnyiy resurs]. — Rejim dostupa: http://www.deltasat.ru/index.php/catalog/category/60 (data obrascheniya: 15.04.2012).

5. Pat. Appl. Publ. US 2009/0128414 A1 (US), H 01 Q 9/04. High Gain OmniDirectional Antenna / Jr-Ren Jeng (TW). — N 11/941225: 11.11.2007; Pub. Date 21.05.2009.

6. Pat. 5963168 (US), H 01 Q 1/38. Antenna Having Double-Sided Printed Circuit Board with Collinear, Alternating and Opposing Radiating Elements and Microstrip Transmission Lines / Michael L. Brennan (US). — N 08/787210: 22.01.1997; Date of Patent 05.10.1999.

7. Wei K. P., Zhang Z. J., Feng Z. H. Design of a Dualband Omnidirectional Planar Microstrip Antenna Array // Progress In Electromagnetics Research. — 2012. — Vol. 126. — P. 101 —120.

8. Antipov S. A., Klimov A. I., Yudin V. I. Mikropoloskovaya antennaya reshetka millimetrovyih voln s krugovoy diagrammoy napravlennosti // Vestnik VGTU. — 2015. — T. 11. — № 6. — S. 121—125.

СВЕДЕНИЯ ОБ АВТОРАХ

Вереитин Владимир Владимирович. Инженер.

АО ВНИИ «Вега», г. Воронеж.

E-mail: 1nza1@bk.ru

Россия, 394026, г. Воронеж, Московский проспект, 7-Б.

Климов Александр Иванович. Профессор кафедры инфокоммуникационных систем и технологий. Доктор технических наук, доцент.

Воронежский институт МВД России.

E-mail: alexserkos@inbox.ru

Россия, 394065, г. Воронеж, проспект Патриотов, 53. Тел. (473) 200-52-65

Vereitin Vladimir Vladimirovich. Engineer.

Voronezh research institute "Vega".

E-mail: 1nza1@bk.ru

Work address: Russia, 394026, Voronezh, Moskovsky Prospect, 7-B.

Klimov Alexander Ivanovich. Professor of the chair of Infocommunication Systems and Technologies. Doctor of Sciences (Radio Engineering), Assistant Professor.

Voronezh Institute of the Ministry of the Interior of Russia.

Work address: Russia, 394065, Voronezh, Prospect Patriotov, 53. Tel. (473) 200-52-65

Ключевые слова: антенная решетка; коэффициент усиления; круговая диаграмма направленности.

Key words: antenna array; gain; omnidirectional radiation pattern.

УДК 621.396.67