Проходная одноразрядная фазированная антенная решетка с пространственным возбуждением для систем беспроводной связи 6 ГГц

Введение. В настоящее время пропускная способность канала является одним из важнейших параметров современных систем связи ввиду увеличения числа пользователей, высоких скоростей передачи данных и быстрого развития интернета вещей. В беспроводных системах связи ограничение пропускной способности возникает из-за низкого отношения сигнал/шум, и одной из причин этого являются высокие потери при распространении электромагнитных волн. Их можно компенсировать с помощью антенных систем с высоким коэффициентом усиления, таких, как метаповерхности, проходные или отражающие решетки.

Цель работы. Разработка и исследование проходной одноразрядной фазированной антенной решетки (ФАР) с пространственным возбуждением для использования в системах беспроводной связи для частот, близких к 6 ГГц. Обсуждается вопрос уменьшения вносимых потерь, связанных с геометрией ячейки и управляющих компонентов. Особое внимание уделяется учету паразитных параметров p–i–n-диодов, используемых в качестве управляющих элементов для установки фазы в составе единичной ячейки. Также исследуются способы подавления кроссполяризации в единичной ячейке с целью уменьшения вносимых потерь.

Материалы и методы. Основным методом исследования характеристик единичных ячеек проходной антенной решетки является численное электродинамическое моделирование в системе автоматизированного проектирования CST Microwave Studio. Полученные результаты подтверждены экспериментальным исследованием изготовленных образцов.

Результаты. Предложена уникальная конструкция единичной ячейки, являющейся основным элементом проходной ФАР. В результате была спроектирована и изготовлена ФАР, результаты измерений которой показывают уровень вносимых потерь в рабочей полосе частот 210 МГц (3.6 %) не более 1.5 дБ. Уровень кроссполяризации составляет не более 24 дБ в диапазоне отклонения луча от 45 до -45°, ослабление коэффициента усиления не превышает 2.5 дБ.

Заключение. Простота конструкции, низкие потери и уровень кроссполяризации показывают, что разработанная проходная одноразрядная ФАР с пространственным возбуждением может быть успешно использована в современных системах связи.

1. Mailloux R. J. Phased array antenna handbook. Norwood: Artech house, 2017. 506 p.

2. Low-DC voltage-controlled steering-antenna radome utilizing tunable active metamaterial / T. Jiang, Z. Wang, D. Li, J. Pan, B. Zhang, J. Huangfu, Y. Salamin, C. Li, L. Ran // IEEE Transactions on Microwave Theory and Techniques. 2012. Vol. 60, № 1. P. 170–178. doi: 10.1109/TMTT.2011.2171981

3. New steerable antenna with controllable metamaterial / Y. Sun, Z. Li, W. Zhu, Z. Ji, Q. Wang // 42nd European Microwave Conf., Amsterdam, Netherlands, 29 Oct. – 01 Nov. 2012. IEEE, 2013. P. 610–613. doi: 10.23919/EuMC.2012.6459398

4. Hardware-efficient hybrid precoding for millimeter wave systems with multi-feed reflectarrays / Z. Zhou, N. Ge, Z. Wang, S. Chen // IEEE Access. 2018. Vol. 6. P. 6795–6806. doi: 10.1109/ACCESS.2018.2793223

5. Pozar D. M., Targonski S. D., Syrigos H. D. Design of millimeter wave microstrip reflectarrays // IEEE transactions on antennas and propagation. 1997. Vol. 45, № 2. P. 287–296. doi: 10.1109/8.560348

6. Cheng C. C., Abbaspour-Tamijani A. Study of 2- bit antenna–filter–antenna elements for reconfigurable millimeter-wave lens arrays // IEEE transactions on microwave theory and techniques. 2006. Vol. 54, № 12. P. 4498–4506. doi: 10.1109/TMTT.2006.885993

7. Using reconfigurable transmitarray to achieve beam-steering and polarization manipulation applications / C. Huang, W. Pan, X. Ma, B. Zhao, J. Cui, X. Lio // IEEE Transactions on Antennas and Propagation. 2015. Vol. 63, № 11. P. 4801–4810. doi: 10.1109/TAP.2015.2479648

8. Synthesis of shaped beam radiation patterns at mm-waves using transmit-arrays / C. C. Cruz, C. A. Fernandez, S. A. Matos, J. R. Costa // IEEE Trans. on Anten. Propag. 2018. Vol. 66, iss. 8. P. 4017–4024. doi: 10.1109/TAP.2018.2836383

9. 1-Bit Reconfigurable Unit Cell Based on PIN Diodes for Transmit-Array Applications in X-Band / A. Clemente, L. Dussport, R. Sauleau, P. Potier, P. Pouliguen // IEEE Transactions on Antennas and Propagation. 2012. Vol. 60, № 5. P. 2260–2269. doi: 10.1109/TAP.2012.2189716

10. A novel 1 bit wide-angle beam scanning reconfigurable transmitarray antenna using an equivalent magnetic dipole element / Y. Wang, S. Xu, F. Yang, M. Li // IEEE Transactions on Antennas and Propagation. 2020. Vol. 68, № 7. P. 5691–5695. doi: 10.1109/TAP.2020.2964954

11. Kaouach H., Kabashi A. Simple tri-layer linearly polarized discrete lens antenna with high-efficiency for mmWave applications // IEEE Antennas and Wireless Propagation Let. 2015. Vol. 15, № 1. P. 259–262. doi: 10.1109/LAWP.2015.2440321

12. Characterization of tiled architecture for C-band 1-bit beam-steering transmitarray / D. Kozlov, I. Munina, P. Turalchuk, V. Kirillov // Sensors. 2021. Vol. 21, № 4. P. 1259. doi: 10.3390/s21041259

13. Enhancement of inductance Q-factor for LTCC filter design / A. Simine, D. Kholodnyak, P. Turalchuk, V. Pianitsa, H. Jantunen, I. Vendik // 2005 European Microwave Conf., Paris, France, 4–6 Oct. 2005. IEEE, 2005. doi: 10.1109/EUMC.2005.1610178

14. Wideband 400-Element Electronically Reconfigurable Transmitarray in X Band / A. Clemente, L. Dussopt, R. Sauleau, P. Potier, P. Pouliguen // IEEE Transactions on Antennas and Propagation. 2013. Vol. 61, № 10. P. 5017–5027. doi: 10.1109/TAP.2013.2271493

15. Kirillov V. V., Turalchuk P. A., Munina I. V. Cross-Polarization Reduction in Reconfigurable Transmitarray Unit Cell // IEEE Conf. of Russian Young Researchers in Electrical and Electronic Engineering, Moscow, St Petersburg, Russia, 26–29 Jan. 2021. IEEE, 2021. P. 137–140. doi: 10.1109/ElConRus51938.2021.9396603