radioelectronicsИзвестия высших учебных заведений России. РадиоэлектроникаJournal of the Russian Universities. Radioelectronics1993-89852658-4794Saint Petersburg Electrotechnical University10.32603/1993-8985-2019-22-3-36-47radioelectronics-323Research ArticleЭЛЕКТРОДИНАМИКА, МИКРОВОЛНОВАЯ ТЕХНИКА, АНТЕННЫELECTRODYNAMICS, MICROWAVE ENGINEERING, ANTENNASСКАНИРУЮЩАЯ ТОРОИДАЛЬНО-БИФОКАЛЬНАЯ ЛИНЗОВАЯ АНТЕННАЯ СИСТЕМА ДИАПАЗОНА 57–64 ГГЦSTEERABLE TOROIDAL BIFOCAL LENS-ARRAY ANTENNA IN 57–64 GHZ RANGEhttps://orcid.org/0000-0001-8694-0033МальцевА. А.MaltsevAlexander A.

Мальцев Александр Александрович – доктор физико-математических наук (1990), профессор (1992), зав. кафедрой бионики и статистической радиофизики Нижегородского государственного университета имени Н. И. Лобачевского. Автор более 150 научных работ. Сфера научных интересов – адаптивная обработка сигналов; адаптивные антенные решетки; MIMO-OFDM системы связи.

пр. Гагарина, 23, Нижний Новгород, 603950

Alexander A. Maltsev – Dr. of Sci. (Phys. and Math.) (1990), Professor (1992), Head of the Department of Bionics and Statistical Radiophysics of Lobachevsky University of Nizhny Novgorod. The author of more than 150 scientific publications. Area of expertise: adaptive signal processing; adaptive antenna arrays; MIMO-OFDM communication systems.

23, Gagarin Pr., 603950, Nizhny Novgorod

maltsev@rf.unn.ruhttps://orcid.org/0000-0001-7970-3777СелезневВ. М.SeleznevValentin M.

Селезнев Валентин Михайлович – магистр по направлению "Радиофизика" (2015), аспирант кафедры бионики и статистической радиофизики Нижегородского государственного университета имени Н. И. Лобачевского. Автор восьми научных публикаций. Сфера научных интересов – микроволновая техника; проектирование антенно-фидерных устройств; вычислительная электродинамика.

пр. Гагарина, 23, Нижний Новгород, 603950

Valentin M. Seleznev – Master on Radio Physics (2015), Postgraduate Student of the Department of Bionics and Statistical Radiophysics of Lobachevsky University of Nizhny Novgorod. The author of 8 scientific publications. Area of expertise: microwave technology; antennas; electrodynamics.

23, Gagarin Pr., 603950, Nizhny Novgorod 

valentin.seleznev@wcc.unn.ruhttps://orcid.org/0000-0003-4227-9110РульковА. С.RulkovAlexander S.

Рульков Александр Сергеевич – магистр по направлению "Физика" (2016), аспирант кафедры теоретической физики Нижегородского государственного университета имени Н. И. Лобачевского. Автор пяти научных работ. Сфера научных интересов – антенно-фидерные устройства; вычислительная электродинамика.

пр. Гагарина, 23, Нижний Новгород, 603950

Alexander S. Rulkov – Master on Physics (2016), Postgraduate Student of the Department of Theoretical Physics of Lobachevsky University of Nizhny Novgorod. The author of 5 scientific publications. Area of expertise: antennas; electrodynamics.

23, Gagarin Pr., 603950, Nizhny Novgorod

aleksrulkov@yandex.ruhttps://orcid.org/0000-0002-6679-9295БолховскаяО. В.BolkhovskayaOlesya V.

Болховская Олеся Викторовна – кандидат физико-математических наук (2004), доцент кафедры бионики и статистической радиофизики Нижегородского государственного университета им. Н. И. Лобачевского. Автор более 50 научных работ. Сфера научных интересов – обнаружение сигналов и оценивание их параметров; многоэлементные антенные решетки.

пр. Гагарина, 23, Нижний Новгород, 603950

Olesya V. Bolkhovskaya – Cand. of Sci. (Phys. and Math.) (2004), Associate Professor of the Department of Bionics and Statistical Radiophysics in Lobachevsky University of Nizhny Novgorod, The author of more than 50 scientific publications. Area of expertise: signal detection and parameters estimation, multi-element antenna arrays.

23, Gagarin Pr., 603950, Nizhny Novgorod

obol@rf.unn.ruНижегородский государственный университет им. Н. И. ЛобачевскогоРоссияLobachevsky State University of Nizhny NovgorodRussian Federation2019010720192233647Copyright © Мальцев А.А., Селезнев В.М., Рульков А.С., Болховская О.В., 20192019Мальцев А.А., Селезнев В.М., Рульков А.С., Болховская О.В.Maltsev A.A., Seleznev V.M., Rulkov A.S., Bolkhovskaya O.V.Данная работа распространяется под лицензией Creative Commons Attribution 4.0.This work is licensed under a Creative Commons Attribution 4.0 License.https://re.eltech.ru/jour/article/view/323Введение

Введение. В настоящее время одним из перспективных подходов к построению систем мобильной радиосвязи пятого поколения является развертывание неоднородных сетей на основе существующих систем сотовой связи LTE с большими и малыми сотами. Основными элементами таких сетей могут стать небольшие дешевые релейные станции, оснащенные высоконаправленными сканирующими антенными системами для связи малых сот с базовой станцией LTE, обслуживающей макросоту. Существующие решения во многом слишком дороги или не позволяют гибко перестраивать используемые линии передачи информации.

Цель работы

Цель работы. Разработка антенного оборудования для дешевых релейных станций на основе простых сканирующих антенных систем миллиметрового диапазона длин волн (57…64 ГГц), позволяющих управлять главным лучом в двух плоскостях: азимутальной и угломестной.

Материалы и методы

Материалы и методы. Профиль линзы из высокомолекулярного полиэтилена был рассчитан в приближении геометрической оптики в MATLAB. Основные технические характеристики линзовой антенной системы получены прямым электромагнитным моделированием в CST Microwave Studio, а также в ходе экспериментальных исследований с помощью вспомогательной антенны с высоким коэффициентом усиления, расположенной в дальней зоне.

Результаты

Результаты. Разработан и создан прототип сканирующей бифокальной линзовой антенной системы, представляющий собой линзу специальной формы из высокомолекулярного полиэтилена, интегрированную с плоской фазированной антенной решеткой. В диапазоне рабочих частот 57…64 ГГц достигнуты следующие технические показатели: углы сканирования в угломестной плоскости ±3º, в азимутальной плоскости ±40º, коэффициент усиления антенной системы для всех углов сканирования находится в пределах 20…27.5 дБи.

Заключение

Заключение. Разработанная линзовая антенная система может найти практическое применение в качестве приемо-передающего антенного оборудования небольших релейных станций, осуществляющих передачу информации в частотном диапазоне 57…64 ГГц на расстояния 100…300 м.

Introduction

Introduction. Currently, one of the most promising approaches to the development of 5th generation mobile wireless systems is the deployment of heterogeneous networks based on existing LTE cellular systems having both large and small cells. Small, low-cost relay stations equipped with highly directional steerable antenna systems to connect small cells with LTE base station serving macrocell can comprise the main elements of such networks.

Objective

Objective. Since existing solutions are either too expensive or do not allow the flexible rearrangement of current information transmission lines, the objective of this work is to develop antenna equipment for low-cost relay stations based on simple, steerable antenna systems of millimetre wavelength (57-64 GHz), which allow beamsteering on both azimuth and elevation planes.

Methods and materials

Methods and materials. The developed steerable, bifocal lens antenna system comprises a specially-shaped lens made of high-molecular-weight polyethylene and integrated with a phased array antenna. A key feature of its design is a wide-angle beamsteering in the azimuth plane and ability to adjust the beam in the elevation plane. The calculation of the lens profiles was carried out by means of an approximation of geometrical optics in Matlab, while the main technical characteristics of the lens antenna system were obtained by direct electromagnetic modelling in CST Microwave Studio.

Results

Results. A prototype steerable, bifocal lens-array antenna system has been developed and its characteristics studied. The following technical characteristics are achieved in the 57–64 GHz range: beamsteering in the elevation plane – ±3º; beam-steering in the azimuth plane – ±40º; antenna gain – from 20 to 27.5 dBi for all angles.

Conclusion

Conclusion. It is shown that the developed antenna system can be successfully used as a component of the receiving and transmission equipment of small relay stations that transmit information in the frequency range of 57-64 GHz over a distance of 100-300 m.

бифокальная линзовая антеннамиллиметровый диапазонфазированная антенная решеткасканированиедиаграмма направленностиbifocal lens antennamillimetre bandphased arrayscanningradiation patternReferencesWiMAX technology support for applications in environmental monitoring, fire prevention and telemedicine / E. Guainella, E. Borcoei, M. Katz, P. Neves, M. Curado, F. Andreotti, E. Angori // 2007 IEEE Mobile WiMAX Symposium, 25–29 March 2007, Orlando, FL, USA. URL: https://ieeexplore.ieee.org/document/4156108. doi: 10.1109/WIMAX.2007.348690 (дата обращения 03.05.2019)Guainella E., Borcoei E., Katz M., Neves P., Curado M., Andreotti F., Angori E. WiMAX Technology Support for Applications in Environmental Monitoring, Fire Prevention and Telemedicine. 2007 IEEE Mobile WiMAX Symposium, 25–29 March 2007, Orlando, FL, USA. Available at: https://ieeexplore.ieee.org/document/4156108. doi: 10.1109/WIMAX.2007.348690 (accessed 03.05.2019)IEEE Std 802.16™-2004 IEEE Standard for Local and metropolitan area networks. Part 16: Air Interface for Fixed Broadband Wireless Access Systems. https://standards.ieee.org/standard/802_16-2004.html (дата обращения 03.05.2019)IEEE Std 802.16™-2004 IEEE Standard for Local and metropolitan area networks. Part 16: Air Interface for Fixed Broadband Wireless Access Systems. Available at: https://standards.ieee.org/standard/802_16-2004.html (accessed 03.05.2019)Sesia S., Toufik I., Baker M. LTE – The UMTS long term evolution. From theory to practice. Hoboken, NJ: John Wiley and Sons, 2011. 625 p.Sesia S., Toufik I., Baker M. LTE – The UMTS Long Term Evolution. From Theory to Practice. Hoboken, NJ: John Wiley and Sons, 2011. 625 p.802.11ac-2013 – IEEE Standard for Information Technology – Telecommunications and Information Exchange Between Systems Local and Metropolitan Area Networks – Specific Requirements – Part 11: Wireless LAN Medium Access Control (MAC) and Physical Layer (PHY) Specifications – Amendment 4: Enhancements for Very High Throughput for Operation in Bands below 6 GHz. https://ieeexplore.ieee.org/document/7797535. doi: 10.1109/IEEESTD.2013.7797535 (дата обращения 03.05.2019)802.11ac-2013 – IEEE Standard for Information Technology – Telecommunications and Information Exchange Between Systems Local and Metropolitan Area Networks – Specific Requirements – Part 11: Wireless LAN Medium Access Control (MAC) and Physical Layer (PHY) Specifications – Amendment 4: Enhancements for Very High Throughput for Operation in Bands below 6 GHz. Available at: https://ieeexplore.ieee.org/document/7797535 (accessed 03.05.2019) doi: 10.1109/IEEESTD.2013.7797535Nasir S. A., Mustaqim M., Khawaja B. A. Antenna array for 5th generation 802.11ac Wi-Fi applications // 2014 11th Annual High Capacity Optical Networks and Emerging/Enabling Technologies, 15–17 Dec. 2014, Charlotte, NC, USA. URL: https://ieeexplore.ieee.org/document/7029354. doi: 10.1109/HONET.2014.7029354 (дата обращения 03.05.2019)Nasir S. A., Mustaqim M., Khawaja B. A. Antenna array for 5th generation 802.11ac Wi-Fi applications. 2014 11th Annual High Capacity Optical Networks and Emerging/Enabling Technologies, 15–17 Dec. 2014, Charlotte, NC, USA. Available at: https://ieeexplore.ieee.org/ document/7029354 (accessed 03.05.2019) doi: 10.1109/HONET.2014.7029354Analysis of factors in phase array antenna and RF units on system performance of the OFDM PHY of IEEE 802.11ad standard / J. Qin, L. Zhang, L. Zhang, Y. Wang // 2016 IEEE Int. Conf. on Electron Devices and Solid-State Circuits (EDSSC), 3–5 Aug. 2016, Hong Kong, China. https://ieeexplore.ieee.org/document/7785273. doi: 10.1109/EDSSC.2016.7785273 (дата обращения 03.05.2019)Qin J., Zhang L., Zhang L., Wang Y. Analysis of Factors in Phase Array Antenna and RF Units on System Performance of the OFDM PHY of IEEE 802.11ad Standard. 2016 IEEE Int. Conf. on Electron Devices and Solid-State Circuits (EDSSC), 3–5 Aug. 2016, Hong Kong, China. Available at: https://ieeexplore.ieee.org/document/7785273. (accessed 03.05.2019) doi: 10.1109/EDSSC.2016.7785273van Nee R., Prasad R. OFDM for Wireless Multimedia Communications. Boston, London: Artech House, 2000. 278 p.van Nee R., Prasad R. OFDM for Wireless Multimedia Communications. Boston, London, Artech House, 2000, 278 p.Пат. RU 2660385 C1 H01Q 3/24 (2006.01). Сканирующая линзовая антенна / О. В. Болховская, В. М. Селезнев, В. Д. Голубь. Опубл. 06.07.2018. Бюл. № 19.Bolkhovskaya O. V., Seleznev V. M., Golub' V. D. Skaniruyushchaya linzovaya antenna [Steerable lens antenna]. Pat. RU 2660385 C1 H01Q 3/24 (2006.01). 06.07.2018. Bull. No. 19. (in Russ.)IEEE 802.11ay: Next-Generation 60 GHz Communication for 100 Gb/s Wi-Fi / Y. Ghasempour, C. R. C. M. da Silva, C. Cordeiro, E. W. Knightly // IEEE Communications Magazine. 2017. Vol. 55, № 12. P. 186–192. doi: 10.1109/MCOM. 2017.1700393Ghasempour Y., da Silva C. R. C. M., Cordeiro C., Knightly E. W. IEEE 802.11ay: Next-Generation 60 GHz Communication for 100 Gb/s Wi-Fi. IEEE Communications Magazine. 2017, vol. 55, no. 12, pp. 186–192. doi: 10.1109/MCOM.2017.1700393Analysis and Simulation of the IEEE 802.11ay Single-Carrier PHY / C. R. C. M. da Silva, A. Lomayev, C. Chen, C. Cordeiro // 2018 IEEE Int. Conf. on Communications (ICC), 20–24 May 2018, Kansas City, MO, USA. doi: 10.1109/ICC.2018.8422532.da Silva C. R. C. M., Lomayev A., Chen C., Cordeiro C. Analysis and Simulation of the IEEE 802.11ay Single-Carrier PHY. 2018 IEEE Int. Conf. on Communications (ICC), 20–24 May 2018, Kansas City, MO, USA. doi: 10.1109/ICC.2018.8422532.Advanced millimeter-wave technologies: Antennas, Packaging and Circuits / ed. by D. Liu, B. Gaucher, U. Pfeiffer, J. Grzyb. Chichester, UK: John Wiley and Sons, 2009. 827 p.Advanced millimeter-wave technologies: Antennas, Packaging and Circuits; ed. by D. Liu, B. Gaucher, U. Pfeiffer, J. Grzyb. Chichester, UK, John Wiley and Sons, 2009, 827 p.Visentin T., Keusgen W., Weiler R. Dual-Polarized Square-Shaped Offset-Fed Reflectarray Antenna with High Gain and High Bandwidth in the 60 GHz Domain /2015 9th Europ. Conf. on Ant. and Prop. (EuCAP), 13–17 April 2015, Lisbon, Portugal. https://ieeexplore.ieee.org/document/7228414 (дата обращения 03.05.2019)Visentin T., Keusgen W., Weiler R. Dual-Polarized Square-Shaped Offset-Fed Reflectarray Antenna with High Gain and High Bandwidth in the 60 GHz Domain. 2015 9th Europ. Conf. on Ant. and Prop. (EuCAP), 13–17 April 2015, Lisbon, Portugal. Available at: https://ieeexplore.ieee.org/document/7228414 (accessed 03.05.2019)Highly Directional Steerable Antennas: High-Gain Antennas Supporting User Mobility or Beam Switching for Reconfigurable Backhauling / A. Maltsev, A. Sadri, A. Pudeyev, I. Bolotin // IEEE Vehicular Technology Magazine. 2016. Vol. 11, №. 1. P. 32–39.Maltsev A., Sadri A., Pudeyev A., Bolotin I. Highly Directional Steerable Antennas: High-Gain Antennas Supporting User Mobility or Beam Switching for Reconfigurable Backhauling. IEEE Vehicular Technology Magazine. 2016, vol. 11, no. 1, pp. 32–39.Millimeter-wave Toroidal Lens-Array Antennas Experimental Measurements / A. Maltsev, A. Lomaev, A. Pudeyev, I. A. Bolotin, O. V. Bolkhovskaya, V. M. Seleznev // 2018 IEEE Int. Symposium on Ant. and Prop. & USNC/URSI National Radio Science Meeting, 8–13 July 2018, Boston, MA, USA. doi: 10.1109/APUSNCURSINRSM.2018.8608633Maltsev A., Lomaev A., Pudeyev A., Bolotin I. A., Bolkhovskaya O. V., Seleznev V. M. Millimeter-wave Toroidal Lens-Array Antennas Experimental Measurements. 2018 IEEE Int. Symposium on Ant. and Prop. & USNC/URSI National Radio Science Meeting, 8–13 July 2018, Boston, MA, USA. doi: 10.1109/APUSNCURSINRSM.2018.8608633Brown R. Dielectric Bifocal Lenses // IRE Int. Convention Record. 1956. Vol. 4. P. 180–187.Brown R. Dielectric Bifocal Lenses. IRE Int. Convention Record. 1956, vol. 4, pp. 180–187.Peebles A. L. A dielectric bifocal lens for multibeam antenna applications // IEEE Trans. Ant. And Prop. 1988. Vol. 36, № 5. P. 599–606.Peebles A. L. A dielectric bifocal lens for multibeam antenna applications. IEEE Trans. Ant. And Prop. 1988, vol. 36, no. 5, pp. 599–606.Holt F., Mayer A. A Design Procedure for Dielectric Microwave Lenses of Large Aperture Ratio and Large Scanning Angle // IEEE Trans. Ant. and Prop. 1957. Vol. 5, № 1. P. 25–30.Holt F., Mayer A. A Design Procedure for Dielectric Microwave Lenses of Large Aperture Ratio and Large Scanning Angle. IEEE Trans. Ant. and Prop. 1957, vol. 5, no. 1, pp. 25–30.Richter J., Hofmann A., Schmidt L.-P. Dielectric Wide Angle Lenses for Millimeter-Wave Focal Plane Imaging // 31st Europ. Microwave Conf., London, England, 24–26 Sept., 2001. Piscataway: IEEE, 2001. P. 1–4. doi: 10.1109/EUMA.2001.338934Richter J., Hofmann A., Schmidt L.-P. Dielectric Wide Angle Lenses for Millimeter-Wave Focal Plane Imaging. 31st Europ. Microwave Conf., London, England, 24–26 Sept., 2001. Piscataway: IEEE, 2001, pp. 1–4. doi: 10.1109/EUMA.2001.338934Rutledge D. B., Neikirk D. P., Kasilingam D. P. Integrated Circuit Antennas // Infrared and Millimeter Waves / ed. by K. J. Button. New York: Academic, 1983. Vol. 10. P. 1–90.Rutledge D. B., Neikirk D. P., Kasilingam D. P. Integrated Circuit Antennas. Infrared and MillimeterWaves; ed. by K. J. Button. New York, Academic, 1983, vol. 10, pp. 1–90.Experimental Characterization of E-Band TwoDimensional Electronically Beam-Steerable Integrated Lens Antennas / A. Artemenko, A. Mozharovskiy, A. Maltsev, R. Maslennikov, A. Sevastyanov, V. Ssorin // IEEE Ant. and Wireless Prop. Lett., 2013. Vol. 12. P. 1188–1191. doi: 10.1109/LAWP.2013.2282212Artemenko A., Mozharovskiy A., Maltsev A., Maslennikov R., Sevastyanov A., Ssorin V. Experimental Characterization of E-Band Two-Dimensional Electronically Beam-Steerable Integrated Lens Antennas. IEEE Ant. and Wireless Prop. Lett., 2013, vol. 12, pp. 1188–1191. doi: 10.1109/LAWP.2013.2282212Mm-Wave Phased Array Antenna and System Integration on Semi-Flex Packaging / H. K. Pan, B. D. Horine, M. Ruberto, S. Ravid // IEEE AP-S Conf. on Ant. and Prop. for Wireless Communications, 3–8 July 2011, Spokane, WA, USA. P. 2059–2062. doi: 10.1109/APS.2011.5996913Pan H. K., Horine B. D., Ruberto M., Ravid S. MmWave Phased Array Antenna and System Integration on Semi-Flex Packaging. IEEE AP-S Conf. on Ant. and Prop. for Wireless Communications, 3–8 July 2011, Spokane, WA, USA, pp. 2059–2062. doi: 10.1109/APS.2011.5996913

The authors declare that there are no conflicts of interest present.