Унифицированный комплекс антенн для радиосистем диапазона КВЧ

А.И. Климов,

доктор технических наук, доцент

А.В. Кузнецов,

АО «Воронежское центральное конструкторское бюро «Полюс»

Ю.Б. Нечаев,

доктор физико-математических наук, профессор, Воронежский государственный университет

УНИФИЦИРОВАННЫЙ КОМПЛЕКС АНТЕНН ДЛЯ РАДИОСИСТЕМ ДИАПАЗОНА КВЧ

UNIFIED ANTENNA COMPLEX FOR EHF RADIO SYSTEMS

Приведены результаты разработки унифицированного комплекса микрополосковых антенн для радиосистем диапазона КВЧ. Антенны построены на основе коллинеарной микрополосковой антенной решетки с круговой диаграммой направленности и в зависимости от конструкции обеспечивают формирование фиксированных и управляемых диаграмм направленности различной формы.

The results of the development of a unified complex of microstrip antennas for EHF radio systems are presented. Antennas are based on an omnidirectional collinear microstrip antenna array and, depending on the design, provide for the formation of fixed and steerable radiation patterns of various shapes.

В последнее время для реализации систем охраны, контроля дорожного движения, автоматики, управления и контрольно-измерительной техники, радиорелейных систем передачи прямой видимости, спутниковых систем передачи и беспроводных локальных систем и сетей передачи информации наряду с диапазоном СВЧ довольно широко используется диапазон КВЧ. В частности, уже функционируют радиорелейные системы передачи прямой видимости, работающие на частотах свыше 90—94 ГГц [1], микросотовые системы и сети передачи информации [2—5]. Важным положительным качеством систем диапазона КВЧ наряду с потенциально высокой пропускной способностью [1] является возможность пространственной локализации потока мощности излучения [1].

Значительный интерес представляют собой системы малого радиуса действия, работающие в окрестности частоты 60 ГГц, на которой имеет место резонансное поглощение радиоволн молекулами кислорода, обуславливающее ослабление потока мощности излучения до 16 дБ/км [1, 6]. С одной стороны, это ограничивает радиус действия системы, но с другой — позволяет повысить ее помехозащищенность и минимизировать помехи другим радиосистемам.

В зависимости от решаемых задач структура беспроводной сети может включать стационарные и подвижные абонентские терминалы, базовые станции, ретрансляторы, центральную станцию. Следовательно, возникает потребность в целом комплексе антенн с различными характеристиками направленности и функциональными возможностями. Например, для абонентских терминалов необходимы антенны с круговой, секторной или сканирующей в азимутальной плоскости диаграммой направленности (ДН), для базовых и центральных станций — с круговой, многолучевой или коммутируемой в азимутальной плоскости ДН, включая антенны с высоким коэффициентом усиления. Анализ современного состояния антенной техники диапазона КВЧ, и в частности разработанной в России и за рубежом для частот 58—62 ГГц, показал, что имеется ряд антенн различных типов и конструкций, обеспечивающих реализацию ДН различной формы, включая сканирующие ДН. Это и классические апертурные антенны, и волноводно-щелевые антенные решетки, микрополосковые антенные решетки, и антенны вытекающей волны. Естественно предположить, что в плане построения беспроводной системы или сети передачи информации в диапазонах СВЧ и КВЧ было бы полезно иметь в распоряжении унифицированный комплекс компактных высокотехнологичных антенных решеток, обеспечивающих минимизацию сроков и финансовых затрат на проектирование, а также формирование разнообразных фиксированных и управляемых ДН.

Наиболее простым и эффективным решением такой задачи представляется построение комплекса антенн на основе единого базового элемента, в качестве которого в рамках данной работы предложено использовать известную микрополосковую коллине-арную антенну (решетку), в зарубежной литературе называемую ОМА (Omnidirectional Microstrip Antenna), с вертикальной поляризацией и круговой азимутальной ДН [7, 8]. Такая антенна отличается компактностью, высокой технологичностью и возможностью формирования спадающего к краям решетки амплитудного распределения для снижения уровня боковых лепестков (УБЛ) ДН в меридиональной плоскости. ОМА выполняется в форме решетки излучающих секций в виде отрезков несимметричной полосковой линии, расположенных вдоль оси решетки с шагом, равным половине длины волны в линии. Благодаря такому выбору шага чередования широких и узких проводников полос-ковой линии на противоположных сторонах диэлектрической подложки, секции на средней рабочей частоте оказываются синфазно возбужденными и в совокупности создают наиболее интенсивное излучение в направлениях нормали к продольной оси решетки. На сегодняшний день разработано несколько достаточно эффективных методик проектирования ОМА, обеспечивающих реализацию антенн с низким уровнем боковых лепестков ДН в вертикальных (Е) плоскостях при практически круговой (с неравномерностью не более 1—1,5 дБ) ДН в горизонтальной (Н) плоскости. Добавление в конструкцию антенны простого рефлектора в виде металлической пластины позволяет легко получить секторную ДН в Н-плоскости [9]. Предпосылки для построения унифицированного комплекса антенн для частот 60—62 ГГц заложены в монографии [8], в которой

предложена методика и приведены результаты разработки конструкции и компьютерного моделирования ОМА и секторных антенн КВЧ в виде ОМА с рефлектором.

Рис. 1. Базовая ОМА (а) и секторная антенна в виде ОМА с рефлектором (б) и примеры их пространственных ДН

Так, ОМА с размерами излучающей части 24*2 мм2 (рис. 1, а) имеет коэффициент усиления (КУ) О не менее 6,3 дБ при ширине ДН в Е-плоскости 9о,5~17°; секторная антенна в виде ОМА с плоским рефлектором (рис. 1, б) имеет КУ 0-10,5 дБ, 9о,5~15° и фо,5~170°. Расстояние между подложкой ОМА и пластиной рефлектора всего1,3 мм. В отличие от типовых ОМА антенны, разработанные авторами данной статьи, имеют низкий (не более -19 дБ) УБЛ ДН в Е-плоскостях.

Для построения антенны, обеспечивающей возможность формирования круговой или секторной, многолучевой или сканирующей в Н-плоскости ДН из базовых ОМА можно составить цилиндрическую антенную решетку (ЦАР) [9, 10]. Примеры ЦАР без рефлектора и с рефлектором, а также их пространственных ДН приведены на рис. 2 и 3. Восьмиэлементная ЦР без рефлектора в режиме с круговой ДН в Н-плоскости имеет КУ 0=9,5 дБ, в режиме фазового сканирования в Н-плоскости секторной ДН шириной

фо,5~40° 0=13,5 дБ. В режиме сканирования при равноамплитудном возбуждении всех восьми ОМА УБЛ ДН в Н-плоскости не превышает -10 дБ.

О 1.5 3[тт)

Рис. 2. ЦАР из восьми ОМА и примеры ее ДН в Н-плоскости

Восьмиэлементная ЦАР с рефлектором в режиме с круговой ДН в Н-плоскости имеет КУ 0=10,5 дБ. В режиме дискретно-коммутационного сканирования секторной ДН в Н-плоскости при возбуждении одной из восьми ОМА ширина ДН фо,5~100°, а при возбуждении пары соседних ОМА фо,5~50° и КУ 0=14,5 дБ; УБЛ ДН в Н-плоскости не превышает -10 дБ. Рефлектор может иметь форму цилиндра или призмы.

В отношении построения ЦАР, реализующей режимы круговой и сканирующей ДН, стоит отметить, что при значительном количестве элементов существует неоднозначность выбора оптимального радиуса ЦАР, обеспечивающего заданную (например, минимально возможную) неравномерность круговой ДН в Н-плоскости [10].

Представленные выше варианты антенн в режиме формирования секторной ДН обеспечивают сравнительно невысокие значения КУ. Для увеличения значений КУ до 20—30 дБ, естественно, необходимо увеличить коэффициент направленного действия (КНД) путем сужения ДН в Е-плоскости, объединив несколько ОМА в плоскую (двумерную) решетку. При этом плоская антенная решетка (ПАР) без рефлектора будет формировать двунаправленное излучение с фиксированной или сканирующей в Н-плоскости ДН (рис. 4), а ПАР с плоским рефлектором — однонаправленное излучение, также с фиксированной или сканирующей в Н-плоскости ДН (рис. 5).

О 2.5 5

Рис. 3. ЦАР из восьми ОМА с рефлектором и примеры ее ДН в Н-плоскости

г""! Фазовое сканирование ДН в Н-плоскости

Рис. 4. Двунаправленная ПАР из восьми ОМА и примеры ее ДН в Н-плоскости

ПАР из восьми базовых ОМА, расположенных в Н-плоскости с шагом 0,9Х, при их синфазном возбуждении обеспечивает формирование ДН с двумя с практически симметричными относительно плоскости расположения ОМА главными лепестками, на средней рабочей частоте ОМА ориентированными перпендикулярно плоскостям рас-крывов ПАР с фронтальной и тыльной стороны. При этом КУ возрастает до 0=19,5 дБ, а ширина ДН в Н-плоскости уменьшается до фо,5-10°. При уменьшении шага решетки в Н-плоскости, например до 0,6Х, сектор фазового сканирования ДН в данной плоскости для обоих главных лепестков может составлять до ±40°. При равноамплитудном возбуждении ОМА УБЛ ДН в Н-плоскости не превышает -10 дБ.

Однонаправленная ПАР с такими же размерами, но с плоским рефлектором (рис. 5) имеет КУ 0=22 дБ и также может обеспечивать фазовое сканирование ДН в Н-плоскости в секторе до ±40°.

0 4 8

Рис. 5. Однонаправленная ПАР из восьми ОМА с плоским рефлектором и примеры ее ДН в Н-плоскости

Таким образом, результаты компьютерного моделирования разработанных антенн позволяют сделать следующий вывод: предложенный подход, основанный на хорошо известном методе увеличения направленности антенн, в случае использования единого базового элемента (в рассмотренных примерах — коллинеарной антенны с круговой азимутальной ДН) при существенном уменьшении затрат времени и иных издержек позволяет реализовать унифицированный комплекс компактных высокотехнологичных антенн КВЧ (СВЧ), обеспечивающих формирование:

- круговой диаграммы направленности;

- секторной диаграммы направленности;

- секторной диаграммы направленности с круговым сканированием в одной плоскости;

- двунаправленной фиксированной или сканирующей диаграммы направленности в одной плоскости в ограниченном угловом секторе;

- однонаправленной фиксированной или сканирующей диаграммы направленности в одной плоскости в ограниченном угловом секторе.

Полагаем, что подобный комплекс антенн может быть эффективно использован в аппаратуре радиосистем СВЧ и КВЧ различного функционального назначения.

ЛИТЕРАТУРА

1. Вишневский В. Миллиметровый диапазон как промышленная реальность // Электроника: Наука, Технология, Бизнес. — 2010. — № 3. — С. 70—79.

2. Millimeter-Wave Enhanced Local Area Systems: A High-Data-Rate Approach for Future Wireless Networks / Amitava Ghosh [et al.] // IEEE Journal on Selected Areas in Communications. — 2014. — V. 32. — N. 6. — P. 1152—1163.

3. Ando M. Planar Waveguide Arrays for Millimeter Wave Systems // IEICE Trans. Commun. — 2010. — V. E93-B. — N. 10. — P. 2504—2513.

4. Elkashlan M., Duong T. Q., Chen H.-H. Millimeter-Wave Communications for 5G: Fundamentals: Part I [Guest Editorial] // IEEE Communications Magazine. — 2014. — V. 52.

— N. 9. — P. 52—54.

5. Elkashlan M., Duong T. Q., Chen H.-H. Millimeter-Wave Communications for 5G: Fundamentals: Part II [Guest Editorial] // IEEE Communications Magazine. — 2015. — V. 53.

— N. 1. — P. 166—167.

6. Cotton Simon L., Scanlon William G. Millimeter-Wave Soldier-to-Soldier Communications for Covert Battlefield Operations. // IEEE Communications Magazine. — 2009. — October. — P. 72—81.

7. Климов А. И., Кузнецов А. В., Нечаев Ю. Б. Компактные линейные и плоские антенные решетки для систем радиосвязи диапазона КВЧ // Теория и техника радиосвязи. — 2016. — Вып. 2. — С. 70—78.

8. Антенны для беспроводных систем и сетей передачи информации : монография / А. И. Климов [и др.]. — Воронеж : ФГБОУ ВО «Воронежский государственный технический университет», 2016. — 163 с.

9. Устройства СВЧ и антенны. Проектирование фазированных антенных решеток : учеб. пособие для вузов / Д. И. Воскресенский [и др.] ; под ред. Д. И. Воскресенского.

— Москва : Радиотехника, 2012. — 744 с.

10. Антенные решетки / Л. С. Бененсон [и др.] ; под ред. Л. С. Бененсона. — Москва : Сов. Радио, 1966. — 386 с.

REFERENCES

1. Vishnevskiy V. Millimetrovyiy diapazon kak promyishlennaya realnost // El-ektronika: Nauka, Tehnologiya, Biznes. — 2010. — # 3. — S. 70—79.

2. Millimeter-Wave Enhanced Local Area Systems: A High-Data-Rate Approach for Future Wireless Networks / Amitava Ghosh [et al.] // IEEE Journal on Selected Areas in Communications. — 2014. — V. 32. — N. 6. — P. 1152—1163.

3. Ando M. Planar Waveguide Arrays for Millimeter Wave Systems // IEICE Trans. Commun. — 2010. — V. E93-B. — N. 10. — P. 2504—2513.

4. Elkashlan M., Duong T. Q., Chen H.-H. Millimeter-Wave Communications for 5G: Fundamentals: Part I [Guest Editorial] // IEEE Communications Magazine. — 2014. — V. 52.

— N. 9. — P. 52—54.

5. Elkashlan M., Duong T. Q., Chen H.-H. Millimeter-Wave Communications for 5G: Fundamentals: Part II [Guest Editorial] // IEEE Communications Magazine. — 2015. — V. 53.

— N. 1. — P. 166—167.

6. Cotton Simon L., Scanlon William G. Millimeter-Wave Soldier-to-Soldier Communications for Covert Battlefield Operations. // IEEE Communications Magazine. — 2009. — October. — P. 72—81.

7. Klimov A. I., Kuznetsov A. V., Nechaev Yu. B. Kompaktnyie lineynyie i ploskie antennyie reshetki dlya sistem radiosvyazi diapazona KVCh // Teoriya i tehnika radiosvyazi.

— 2016. — Vyip. 2. — S. 70—78.

8. Antennyi dlya besprovodnyih sistem i setey peredachi informatsii : monografiya / A. I. Klimov [i dr.]. — Voronezh : FGBOU VO «Voronezhskiy gosudarstvennyiy tehnicheskiy universitet», 2016. — 163 s.

9. Ustroystva SVCh i antennyi. Proektirovanie fazirovannyih antennyih reshetok : ucheb. posobie dlya vuzov / D. I. Voskresenskiy [i dr.] ; pod red. D. I. Voskresenskogo. — Moskva : Radiotehnika, 2012. — 744 s.

10. Antennyie reshetki / L. S. Benenson [i dr.] ; pod red. L. S. Benensona. — Moskva : Sov. Radio, 1966. — 386 s.

СВЕДЕНИЯ ОБ АВТОРАХ

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. +7-950-753-94-84.

Кузнецов Анатолий Васильевич. Генеральный директор. АО «Воронежское центральное конструкторское бюро «Полюс». E-mail: polus@vckb.ru

Россия, 394019, г. Воронеж, ул. Краснодонская, 16Б. Тел. / Факс: (473) 276-24-60.

Нечаев Юрий Борисович. Профессор кафедры информационных систем. Доктор физико-математических наук, профессор.

Воронежский государственный университет.

E-mail: nechaev_ub@mail.ru

Россия, 394006, г. Воронеж, Университетская площадь, 1. Тел. (473) 220-87-24.

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.

E-mail: alexserkos@inbox.ru

Work address: Russia, 394065, Voronezh, Prospect Patriotov, 53. Tel. +7-950-753-94-84.

Kuznetsov Anatoly Vasilyevich. General Director.

JSC "Voronezh Central Design Bureau" Polyus".

E-mail: polus@vckb.ru

Work address: Russia, 394019, Voronezh, Krasnodonskaya Str., 16B. Tel./Fax: (473) 276-24-60.

Nechayev Jury Borisovich. Professor of the Chair of Information Systems. Doctor of Sciences (Physic, Mathematic), Professor.

E-mail: nechaev_ub@mail.ru

Voronezh State University.

Work address: Russia, 3940006, Voronezh, Universitetskaya Square, 1. Tel. (473) 220-87-24.

Ключевые слова: коллинеарная антенна; унифицированный комплекс антенн; крайне высокие частоты; цилиндрическая антенная решетка; плоская антенная решетка; сканирующая диаграмма направленности.

Key words: collinear antenna; unified antenna complex; extremely high frequencies; cylinder antenna array; planar antenna array; scanning radiation pattern.

УДК 621.396.67