СКАНИРУЮЩАЯ ТОРОИДАЛЬНО-БИФОКАЛЬНАЯ ЛИНЗОВАЯ АНТЕННАЯ СИСТЕМА ДИАПАЗОНА 57–64 ГГЦ

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. 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. 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. 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. 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.

1. WiMAX 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)

2. 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)

3. 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.

4. 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)

5. 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. URL: https://ieeexplore.ieee.org/document/7029354. doi: 10.1109/HONET.2014.7029354 (дата обращения 03.05.2019)

6. Analysis 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)

7. van Nee R., Prasad R. OFDM for Wireless Multimedia Communications. Boston, London: Artech House, 2000. 278 p.

8. 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.

9. 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. 2017.1700393

10. Analysis 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.

11. 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.

12. 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)

13. 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.

14. 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.2018.8608633

15. Brown R. Dielectric Bifocal Lenses // IRE Int. Convention Record. 1956. Vol. 4. P. 180–187.

16. Peebles A. L. A dielectric bifocal lens for multibeam antenna applications // IEEE Trans. Ant. And Prop. 1988. Vol. 36, № 5. P. 599–606.

17. 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.

18. 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.2001.338934

19. Rutledge 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.

20. 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.2013.2282212

21. Mm-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.2011.5996913