РАЗРАБОТКА ЛИНЗОВОЙ АНТЕННЫ С ПЛАНАРНЫМ ПОЛЯРИЗАЦИОННЫМ СЕЛЕКТОРОМ ДЛЯ СИСТЕМ ФИКСИРОВАННОЙ РАДИОСВЯЗИ ЧАСТОТНОГО ДИАПАЗОНА 28 ГГЦ

Введение. Использование миллиметрового диапазона длин волн открывает широкие перспективы для увеличения пропускной способности в современных системах связи за счет применения широких полос передаваемых сигналов. Одной из основных сложностей при разработке систем радиосвязи диапазона длин волн 27.5…29.5 ГГц является обеспечение высоких значений коэффициента усиления используемых антенн порядка 30 дБи для компенсации значительного уровня затухания радиосигнала в канале связи по сравнению с традиционными диапазонами частот ниже 6 ГГц.
Цель работы. Разработка узконаправленной антенны с возможностью работы на двух ортогональных линейных поляризациях для разделения передаваемого и принимаемого потоков по поляризации и, соответственно, более эффективного использования спектра. При этом важной задачей является обеспечение высокой апертурной эффективности антенны и низкий уровень потерь в системе подведения, которая должна иметь интерфейс на основе печатных линий передачи для подключения к элементам радиочастотного тракта, реализованным на печатной плате.
Материалы и методы. Основным методом исследования характеристик антенны является численное электродинамическое моделирование в системе автоматизированного проектирования CST Microwave Studio. Полученные результаты подтверждены при измерении экспериментальных образцов.
Результаты. В качестве разрабатываемой антенны выбрана интегрированная линзовая антенна, состоящая из однородной полуэллиптической диэлектрической линзы диаметром D = 120 мм с цилиндрическим продолжением и первичного облучателя, выполненного на основе микрополосковой антенны с волноводным адаптером. Размер раскрыва адаптера оптимизирован для увеличения апертурной эффективности линзы с помощью комбинированного метода на основе принципов геометрической и физической оптики. Две ортогональные линейные поляризации на микрополосковом облучателе возбуждаются через соответствующие щели "Н"-формы, выполненные в одном из внутренних уровней металлизации печатной платы рядом друг с другом. В частотном диапазоне 27.5…29.5 ГГц разработанная линзовая антенна для каждой из поляризаций обеспечивает значение коэффициента усиления 29.5…30.2 дБи с шириной основного луча по уровню половинной мощности 4.8…5.1° и уровнем кроссполяризационной развязки не менее 37 дБ.
Заключение. Простота конструкции, высокая апертурная эффективность и возможность работать на двух ортогональных линейных поляризациях позволяют сделать вывод, что разработанная линзовая антенна может быть успешно использована в системах радиосвязи частотного диапазона 27.5…29.5 ГГц.

1. Решение ГКРЧ от 25.06.2007 № 07-21-01-001 "Об использовании полос радиочастот в диапазонах 1.5 ГГц и 28 ГГц радиоэлектронными средствами фиксированного беспроводного доступа гражданского назначения" (в ред. от 16.04.2014 № 14-23-09-2). URL: http://www.rfs-rf.ru/upload/medialibrary/fc3/018816.doc (дата обращения 22.02.2019)

2. Recommendation ITU-R F.748-4 (05/2001). Radiofrequency arrangements for systems of the fixed service operating in the 25, 26 and 28 GHz bands. URL: https://www.itu.int/dms_pubrec/itu-r/rec/f/R-REC-F.748-4-200105-I!!PDF-E.pdf (дата обращения 22.02.2019)

3. Harmonized European Standard ETSI EN 302 326-3 V1.3.1 (2008-02). Fixed Radio Systems; Multipoint Equipment and Antennas; Part 3: Harmonized EN covering the essential requirements of article 3.2 of the R&TTE Directive for Multipoint Radio Antennas. URL: https://www.etsi.org/deliver/etsi_en/302300_302399/30232603/01.03.01_60/en_30232603v010301p.pdf (дата обращения 22.02.2019)

4. Millimeter Wave Mobile Communications for 5G Cellular: It Will Work! / T. S. Rappaport, Sh. Sun, R. Mayzus, H. Zhao, Y. Azar, K. Wang, G. N. Wong, J. K. Schulz, M. Samimi, F. Gutierrez // IEEE Access. 2013. Vol. 1, № 1. P. 335–349. doi: 10.1109/ACCESS.2013.2260813

5. Wells J. Faster than fiber: The future of multi-G/s wireless // IEEE Microwave Magazine. 2009. Vol. 10, iss. 3. P. 104–112. doi: 10.1109/MMM.2009.932081

6. Al-Hourani A., Chandrasekharan S., Kandeepan S. Path loss study for millimeter wave device-to-device communications in urban environment // IEEE Intern. Conf. on Communications Workshops (ICC), Sydney, Australia, 10–14 June 2014. Piscataway: IEEE. P. 102–107. doi: 10.1109/ICCW.2014.6881180

7. Recommendation ITU-R P.676-11 (09/2016) "Attenuation by atmospheric gases". URL: https://www.itu.int/dms_pubrec/itu-r/rec/p/R-REC-P.676-11-201609-I!!PDF-E.pdf (дата обращения 22.02.2019)

8. Qingling Z., Li J. Rain Attenuation in Millimeter Wave Ranges // 7th Intern. Symp. on Antennas, Propagation and EM Theory, Guilin, China, 26–29 Oct. 2006. Piscataway: IEEE, 2006. P. 1–4. doi: 10.1109/ISAPE.2006.353538

9. Recommendation ITU-R P.838-3 (03/2005). Specific attenuation model for rain for use in prediction methods. URL: https://www.itu.int/dms_pubrec/itu-r/rec/p/R-RECP.838-3-200503-I!!PDF-E.pdf (дата обращения 22.02.2019)

10. Recommendation ITU-R P.837-7 (06/2017). Characteristics of precipitation for propagation modelling. URL: https://www.itu.int/dms_pubrec/itu-r/rec/p/R-REC-P.837-7-201706-I!!PDF-E.pdf (дата обращения 22.02.2019)

11. Five Disruptive Technology Directions for 5G / F. Boccardi, R. W. Heath, A. Lozano, T. L. Marzetta, P. Popovski // IEEE Communications Magazine. 2014. Vol. 52, iss. 2. P. 74–80. doi: 10.1109/MCOM.2014.6736746

12. A 64-Element 28-GHz Phased-Array Transceiver With 52-dBm EIRP and 8–12-Gb/s 5G Link at 300 Meters Without Any Calibration / K. Kibaroglu, M. Sayginer, T. Phelps, G. M. Rebeiz // IEEE Transactions on Microwave Theory and Techniques. 2018. Vol. 66, iss. 12. P. 5796–5811. doi: 10.1109/TMTT.2018.2854174

13. Microstrip patch antenna arrays with fan-shaped 90 and 45-degree wide radiation patterns for 28 GHz MIMO applications / S. Churkin, A. Mozharovskiy, A. Artemenko, R. Maslennikov // 12th European Conf. on Antennas and Propagation (EuCAP), London, UK, 9–13 April 2018. P. 1–5. doi: 10.1049/cp.2018.1204

14. A dual-polarized planar array antenna for Kuband satellite communications / M. Ohtsuk, T. Takahashi, Y. Konishi, S. Urasaki, K. Harada // IEEE Antennas and Propagation Society International Symposium Digest. Antennas: Gateways to the Global Network. Held in conjunction with: USNC/URSI National Radio Science Meeting, Atlanta, USA, 21–26 June 1998. Piscataway: IEEE, 1998. P. 16–19. doi: 10.1109/APS.1998.698732

15. Diawuo H. A., Jung Y.-B. Broadband ProximityCoupled Microstrip Planar Antenna Array for 5G Cellular Applications // IEEE Antennas and Wireless Propagation Letters. 2018. Vol. 17, iss. 7. P. 1286–1290. doi: 10.1109/LAWP.2018.2842242

16. A planar dual-polarized microstrip 1Dbeamforming antenna array for the 24GHz ISM-band / G. F. Hamberger, A. Drexler, S. Trummer, U. Siart, T. F. Eibert // 10th European Conf. on Antennas and Propagation (EuCAP), Davos, Switzerland, 10–15 April 2016. Piscataway: IEEE, 2016. P. 1–5. doi: 10.1109/EuCAP.2016.7481205

17. Zhang L., Li L., Yi H. Design of a Traveling Wave Slot Array on Substrate Integrated Waveguide for 24GHz Traffic Monitoring // Cross Strait Quad-Regional Radio Science and Wireless Technology Conf. (CSQRWC), Xuzhou, China, 21–24 July 2018. Piscataway: IEEE, 2018. P. 1–3. doi: 10.1109/CSQRWC.2018.8455559

18. A K-band series-fed microstip array antenna with low sidelobe for anticollision radar application / Y.-L. Chang, Y.-C. Jiao, L. Zhang, G. Chen, X. Qiu // Sixth AsiaPacific Conf. on Antennas and Propagation (APCAP), Xi'an, China, 16–19 Oct. 2017. Piscataway: IEEE, 2017. P. 1–3. doi: 10.1109/APCAP.2017.8420878

19. Center-fed traveling-wave microstrip array antenna using elliptically-shaped radiating elements in quasi millimeter-wave band / K. Sakakibara, K. Shida, Y. Mouri, N. Kikuma // IEEE Intern. Symp. on Antennas and Propagation & USNC/URSI National Radio Science Meeting, San Diego, USA, 9–14 July 2017. Piscataway: IEEE, 2017. P. 2609– 2610. doi: 10.1109/APUSNCURSINRSM.2017.8073347

20. 28 GHz waveguide antennas with fan-shaped patterns for base stations MIMO applications / A. Mozharovskiy, S. Churkin, A. Artemenko, R. Maslennikov // 12th European Conf. on Antennas and Propagation (EuCAP), London, UK, 9–13 April 2018. P. 1–5. doi: 10.1049/cp.2018.0373

21. Dufilie P. A. A Ka-band Dual-Pol Monopulse Shaped Reflector Antenna // IEEE Intern. Symp. on Antennas and Propagation and USNC/URSI National Radio Science Meeting, Boston, USA, 8–13 July 2018. Piscataway: IEEE, 2018. P. 1717–1718. doi: 10.1109/APUSNCURSINRSM.2018.8608180

22. Filipovic D. F., Gearhart S. S., Rebeiz G. M. Double-Slot Antennas on Extended Hemispherical and Elliptical Silicon Dielectric Lenses // IEEE Transactions on Microwave Theory and Techniques. 1993. Vol. 41, № 10. P. 1738–1749. doi: 10.1109/22.247919

23. Millimeter-Wave Electronically Steerable Integrated Lens Antennas for WLAN/WPAN Applications / A. Artemenko, A. Maltsev, A. Mozharovskiy, A. Sevastyanov, V. Ssorin // IEEE Transactions on Antennas Propagation. 2013. Vol. 61. P. 1665–1671. doi: 10.1109/TAP.2012.2232266

24. High gain millimeter-wave lens antennas with improved aperture efficiency / A. Mozharovskiy, A. Artemenko, V. Ssorin, R. Maslennikov, A. Sevastyanov // 9th European Conf. on Antennas and Propagation (EuCAP), Lisbon, Portugal, 13–17 April 2015. Piscataway: IEEE, 2015. P. 1–5.

25. Boriskin A. V., Sauleau R., Nosich A. I. Performance of Hemielliptic Dielectric Lens Antennas With Optimal Edge Illumination // IEEE Transactions on Antennas Propagation. 2009. Vol. 57, № 7. P. 2193–2198. doi: 10.1109/TAP.2009.2021979

26. Разработка и оптимизация антенной решетки облучателей для сканирующей линзовой антенны частотного диапазона 71–76 ГГц / В. Д. Голубь, А. С. Мысков, А. В. Можаровский, А. А. Артеменко, Р. О. Масленников // Тр. конф. "Антенны и распространение радиоволн". СПб., 2018. С. 112–116.

27. Эффективный метод расчета характеристик интегрированных линзовых антенн на основе приближений геометрической и физической оптик / А. В. Можаровский, А. А. Артеменко, А. А. Мальцев, Р. О. Масленников, А. Г. Севастьянов, В. Н. Ссорин // Изв. вузов. Радиофизика. 2015. Т. 58, № 6. С. 492–504.

28. Wideband aperture coupled stacked patch type microstrip to waveguide transition for V-band / H. Y. Lee, D. S. Jun, S. E. Moon, E. K. Kim, J. H. Park, K. H. Park // IEEE Proc. of Asia-Pacific Microwave Conf., Yokohama, Japan, 12–15 Dec. 2006. Picataway: IEEE, 2006. P. 360–362. doi: 10.1109/APMC.2006.4429440

29. Волноводно-микрополосковый переход в частотном диапазоне 60 ГГц / А. А. Артеменко, Р. О. Масленников, А. Г. Севастьянов, В. Н. Ссорин // 19-я Междунар. Крымская конф. "СВЧ–техника и телекоммуникационные технологии", 2009. С. 505–506.

30. Design of wideband waveguide to microstrip transition for 60 GHz frequency band / A. Artemenko, A. Maltsev, R. Maslennikov, A. Sevastyanov, V. Ssorin // Proc. of 41st European Microwave Conf. (EuMC), Manchester, UK, 10–13 Oct. 2011. Piscataway: IEEE, 2011. P. 838–841. doi: 10.23919/EuMC.2011.6101966

31. Wideband Probe-Type Waveguide-to-Microstrip Transition for V-band Applications / O. Soykin, A. Artemenko, V. Ssorin, A. Mozharovskiy, R. Maslennikov // Proc. of 46th European Microwave Conf. (EuMC), London, UK, 4–6 Oct. 2016. Piscataway: IEEE, 2016. P. 1–4. doi: 10.1109/EuMC.2016.7824262

32. Felbecker R., Keusgen W., Peter M. Estimation of Permittivity and Loss Tangent of High Frequency Materials in the Millimeter Wave // IEEE Intern. Conf. on Microwaves, Communications, Antennas and Electronics Systems (COMCAS), Tel Aviv, Israel, 7–9 Nov. 2011. Piscataway: IEEE, 2011. P. 1–8. doi: 10.1109/COMCAS.2011.6105829

33. Horn A. Dielectric constant and loss of selected grades of Rogers high frequency circuit substrates from 1- 50 GHz. Rogers Corporation Technical Report 5788, 2003.