Содержание к диссертации
Введение
1. Обзор задач разработки и создания антенных решеток для систем широкополосного беспроводного доступа 11
1.1 Принципы построения микрополосковых антенных решеток 12
1.2 Основы стандарта IEEE 802.16 18
1.3 Система беспроводного широкополосного доступа «WiMIC-6000» 22
1.4 Мобильный комплекс «МИК-МКС» 33
1.5 Анализ существующих антенных решеток и излучателей
1.5.1 Планарная антенная решетка РА 5.0 SA V 36
1.5.2 Планарная антенная решетка SL12021A 40
1.5.3 Планарная антенная решетка DS 6000-19 42
1.5.4 Планарная высокочастотная антенна с всенаправленной диаграммой 44
1.5.5 Антенные системы базовых станций сотовой связи третьего поколения 45
1.5.6 Активные фазированные антенные решетки на основе излучателей Вивальди 48
1.5.7 Эволюция широкополосных антенн 1.6 Аналитический обзор программного обеспечения по электродинамическому моделированию 53
1.7 Методика создания антенных решеток 54
1.8 Основные результаты главы 57
2. Узконаправленные микрополосковые антенные решетки для абонентской станции «WIMIC-6000» 59
2.1 Микрополосковая антенная решетка для абонентской станции «WiMic-6000» на эллиптическом излучателе 60
2.1.1 Критерии выбора излучателя
2.1.2 Практическая реализация излучателя 65
2.1.3 Модель антенной решетки из 4 излучателей 66
2.2 Гибридный излучатель 71
2.2.1 Моделирование гибридного элемента решетки 71
2.2.2 Практическая реализация гибридного элемента решетки 75
2.2.3 Проектирование антенной решетки из 16 излучателей 77
2.3 Микрополосковая антенная решетка из 16 кольцевых излучателей 86
2.3.1 Моделирование антенной решетки из 16 излучателей 86
2.3.2 Практическая реализация антенной решетки из 16 излучателей 91
2.4 Антенная решетка из 64 излучателей 94
2.4.1 Моделирование антенной решетки из 64 излучателей 94
2.4.2 Практическая реализация антенной решетки из 64 излучателей 97
2.5 Основные результаты главы 100
3. Возимые всенаправленные микрополосковые антенны для «WIMIC-2000» И «WIMIC-6000» 101
3.1 Возимая всенаправленная микрополосковая антенна для станций «WiMic-6000» на FR-4 102
3.1.1 Моделирование возимой всенаправленной микрополосковой антенны для станций «WiMic-6000» на FR-4 102
3.1.2 Практическая реализация антенны HaFR-4 108
3.2 Возимая всенаправленная микрополосковая антенна для станций «WiMic-2000» 110
3.2.1 Модель возимой всенаправленной антенны на FR-4 110
3.2.2 Практическая реализация всенаправленной антенны на FR-4 118
3.2.3 Модель возимой всенаправленной антенны HaRO 4003 119
3.2.4 Практическая реализация возимой всенаправленной антенны на RO4003 123
3.3 Основные результаты главы 124
4. Секторные микрополосковые антенные решетки для базовых станций «WIMIC-2000» И «WIMIC-6000» 125
4.1 Секторная микрополосковая антенная решетка для базовой станции «WiMic-6000» 126
4.2 Секторная микрополосковая антенная решетка для базовой станции «WiMic-2000» 143
4.3 Основные результаты главы 147
Заключение 148
Литература
- Анализ существующих антенных решеток и излучателей
- Модель антенной решетки из 4 излучателей
- Практическая реализация антенны HaFR-4
- Секторная микрополосковая антенная решетка для базовой станции «WiMic-2000»
Введение к работе
Актуальность работы
Одной из основных тенденций развития современных
телекоммуникационных технологий является миниатюризация
радиоэлектронной аппаратуры (РЭА). Известно, что характеристики РЭА в значительной степени определяются свойствами и конструктивно-электрическими параметрами её антенно-фидерного устройства (АФУ). Микрополосковые антенны (МПА) обеспечивают высокую повторяемость размеров, низкую стоимость, малые металлоемкость, габаритные размеры, массу.
Увеличение ширины рабочей полосы современных систем телекоммуникаций обусловлено необходимостью существенного расширения функциональных возможностей данных систем, в частности скорости передачи данных. На отечественном рынке представлено много антенных решеток (АР), основным недостатком которых является малая ширина рабочей полосы. Между тем, для современных систем широкополосного беспроводного доступа (СШБД), например станций «WiMic», необходимы антенные решетки, способные работать в широком диапазоне частот. Причем для СШБД необходимы разработка и создание различных АР: для базовых и абонентских станций; секторных и всенаправленных; стационарных и возимых. Собственное создание антенн под конкретный тип оборудования, с заданными характеристиками и параметрами, имеет ряд стратегических преимуществ: независимость от сторонних производителей; возможность на этапе разработки учесть особенности оборудования, в составе которого будет работать антенна; возможность опережающего проектирования перспективных систем, в т.ч. специального назначения.
Цель и задачи работы - разработка и создание антенных решеток для СШБД «WiMic». Для её достижения необходимо разработать и создать:
-узконаправленные микрополосковые АР для абонентских станций «WiMic»;
-возимые всенаправленные микрополосковые АР для станций «WiMic»;
-секторные микрополосковые АР для базовых станций «WiMic».
Методы исследования: компьютерное и экспериментальное моделирование, электродинамический анализ, численные методы.
Достоверность результатов подтверждена согласованностью
компьютерного и экспериментального моделирования, практическим применением созданных АР в действующих СШБД «WiMic».
Научная новизна
Разработаны и созданы новые узконаправленные микрополосковые антенные решетки для абонентских станций «WiMic».
Разработаны и созданы новые возимые всенаправленные микрополосковые антенные решетки для станций «WiMic».
Разработаны новые секторные микрополосковые антенные решетки для базовых станций «WiMic».
Практическая значимость
Созданные новые узконаправленные (для абонентской станции) и секторные (для базовой станции) микрополосковые антенные решетки позволили использовать в системах «WiMic» одну антенную решетку.
Созданные новые возимые всенаправленные микрополосковые антенные решетки для станций «WiMic» повысили устойчивость и надежность мобильного комплекса связи «МИК-МКС».
Аналитический обзор программного обеспечения по электродинамическому моделированию использован для обоснования комплектации аппаратно-программного комплекса для анализа взаимовлияний электрических сигналов в бортовой аппаратуре космических аппаратов.
Использование результатов исследований
1. ОКР 2007-2009 гг.: «Редут-2УС-М»; «МИК-АМ» для ФГУП «НИИССУ»
по договорам: 502-М/07 от 03.04.2007 г.; 501/41-08 от 01.09.2008 г.; 05/09нто от
11.03.2009 г. Проект «Редут-2-УС-М» - мобильные комплексы связи,
предназначенные для быстрого развертывания сетей беспроводного доступа,
оборудованные СШБД «WiMic-2000». Комплексы прошли государственные
испытания. «МИК-АМ» - мобильные комплексы связи, применяемые для
гражданских нужд, оборудованы СШБД «WiMic-6000». Комплексы прошли
полевые испытания и находятся на этапе внедрения в различные комплексы
связи.
2. ОКР 2009-2010 гг. «Редут-2УС-Микран» для ФГУП Концерн
«Системпром» по договорам: 22/09 от 09.11.2009 г.; 23/09 от 09.11.2009 г.
З.НИР «Антенна» для «НИИСЭС ТУСУР» по договору 12/10/СЭС от
11.01.2010 г. Состав НИР включал в себя: разработку широкополосных АР для
СШБД «WiMic-6000»; изготовление и исследование характеристик опытных
образцов для системы связи специального назначения с псевдослучайно
перестраиваемыми частотами. Система находится на этапе внедрения в
различные комплексы связи специального назначения.
ОКР 2010 г. «Морфей-ВЧА ССС» для ОАО ГСКБ «Алмаз-Антей» по договору 04/09 от 25.02.2009 г. по государственному оборонному заказу. «Морфей-ВЧА ССС» - самоорганизующаяся система связи с применением технологии АФАР. Система находится на этапе государственных испытаний.
ОКР «Разработка опытных образцов и создание серийного производства фиксированной связи широкополосного беспроводного доступа стандарта WiMax IEEE 802.16d и 802.16е» договор 13G25 310011 от 07.09.2010 г. по постановлению 218 Правительства РФ.
ООО «Оптимальные телекоммуникации» по договору 49/11-ОЭ от
09.06.2011 г.
ООО «Амурские системные сети» по договору 154/10-Р от 29.10.2010 г.
ОКР «Разработка и поставка аппаратно-программного комплекса для проведения анализа взаимовлияний электрических сигналов бортовой аппаратуры». Хоздоговор №28/08 от 14.04.2008 г., шифр «АПК-ТУСУР», генеральный заказчик Министерство обороны РФ. Комплекс предназначен для
анализа блоков управления космических аппаратов. Обзор программного обеспечения, представленный в отчете от 18.09.2009 г. №28/08-ОТ-БЭМС РЭС-001 по этапу 1 «Разработка технического проекта», позволил обосновать состав специализированного лицензионного программного обеспечения данного комплекса.
Апробация результатов
Результаты диссертационной работы докладывались и представлялись в материалах следующих симпозиумов и конференций:
Научно-техническая конференция "Электронные и электромеханические системы и устройства", г. Томск, ОАО «НПЦ «Полюс» 2008 г.
Всероссийская научно-техническая конференция студентов, аспирантов и молодых ученых «Научная сессия ТУСУР», г. Томск, 2008, 2009, 2011.
Публикации. Результаты исследований, представленных в диссертации, опубликованы в 6 работах:
Структура и объём диссертации. В состав диссертации входят введение, 4 главы, заключение, список литературы из 50 наим., 10 приложений. Объём диссертации - 18 с, в т.ч. 119 рис. и 17 табл.
Личный вклад. Все результаты работы получены автором.
Положения, выдвигаемые для публичной защиты
Использование кольцевых полуволновых вибраторов на RO4003 позволяет создать для абонентских станций «WiMic» узконаправленные микрополосковые антенные решетки, способные работать в двух соседних диапазонах частот.
Использование расширяющегося по длине полуволнового вибратора, лестничного делителя мощности и широкополосного симметрирующего устройства позволяет создать для станций «WiMic-6000» и «WiMic-2000» возимые всенаправленные микрополосковые антенные решетки с относительной рабочей полосой 15% и 30% соответственно.
Использование полуволнового вибратора с директором, запитываемого широкополосным симметрирующим устройством, HaRO4003, позволяет разработать для базовых станций «WiMic» секторные микрополосковые антенные решетки, способные работать в двух соседних диапазонах частот.
Анализ существующих антенных решеток и излучателей
Бурное развитие разнообразных мобильных телекоммуникаций и многообразие стандартов эфирного межсетевого обмена продиктовало разработку стандарта, решающего проблему совместимости. Стандарт 802.16 (январь 2003) предназначен для реализации широкополосных каналов "последней мили" в городских сетях [4]. Его задачей является обеспечение сетевого уровня между локальными сетями (IEEE 802.11) и региональными сетями, где планируется применение разрабатываемого стандарта IEEE802.20. Эти стандарты совместно со стандартом IEEE 802.15 и 802.17 образуют взаимосогласованную иерархию протоколов беспроводной связи. Ниже приводится краткое изложение материалов стандарта по документам проектов 2001-2003 гг. [5-7].
Стандарт покрывает диапазон частот 2-11 ГГц. Стабильность частоты должна лежать в пределах ilO-6. Базовая станция (BS) по стандарту 802.16 размещается в здании или на вышке и осуществляет связь со станциями абонентов (SS-Subscriber Station) по схеме точка-мультиточка. Возможен сеточный режим связи, когда любые абоненты могут осуществлять связь между собой непосредственно, а антенные системы, как правило, являются всенаправленными. Базовая станция предоставляет соединение с основной сетью и радиоканалы к другим станциям. Диапазон рабочих расстояний может достигать 30 миль (в случае прямой видимости) при типовом радиусе сети 4-6 миль, где пропускная способность может быть гарантированной. Предусмотрен также режим мультиточка-мультиточка, который имеет ту же функциональность, что и точка-мультиточка. Абонентская станция (SS) может быть радиотерминалом или повторителем (более типично) для организации локального трафика. Трафик может проходить через несколько повторителей, прежде чем достигнет клиента. Антенны в этом случае являются направленными с возможностью дистанционной настройки. SS обычно имеет остронаправленную антенну. По этой причине положение антенны должно быть жестко фиксировано и устойчиво к ветру и другим потенциальным источникам вибрации. Широкополосные системы доступа к радиосети помимо BS и SS содержат клиентское терминальное оборудование, оборудование основной сети, межузловые каналы и повторители. Повторители часто используются, когда между конечными точками канала нет прямой видимости. Повторитель передает сигнал от BS к одной или нескольким SS. В системах мультиточка-мультиточка большинство станций являются повторителями.
Канал связи предполагает наличие двух практически независимых направлений обмена: отправитель-получатель (uplink-восходящий канал) и получатель-отправитель (downlink-нисходящий канал; по аналогии со спутниковыми каналами). Эти два субканала используют разные не перекрывающиеся частотные диапазоны. Данный стандарт относится к уровню L2, хотя его взаимосвязь с физическим уровнем (PHY) достаточно тесная.
Типовыми рекомендуемыми значениями для BS являются: - Мощность передатчика 24 дБм; - Коэффициент усиления антенны SS 21 дБи; - Коэффициент усиления антенны BS 19 дБи; - Полоса несущей 28 МГц. Стандартный полнодуплексный канал базовой станции может иметь пропускную способность 75 Мбит/с. Такой канал обеспечивает до 60 соединений ТІ и сотни связей с домами, использующими DSL-подключения (при полосе 20 МГц). В последнем случае предоставляются качество обслуживания на уровне "наилучшего возможного". При этом предоставляется минимальные задержки, что важно при передаче голоса. Схема взаимодействия радиосетей в случае использования стандарта IEEE 802.16 показана на рис. 1.3. Рис. 1.3. Место стандарта IEEE 802.16 в системе радио коммуникаций
Стандарт 802.16 может решать задачи, которые возникают в каналах с асимметричным трафиком. Сейчас они часто решаются клиентами и сервис-провайдерами путем заказа выделенных линий. Внедрение нового стандарта позволит отказаться от выделенных каналов, обходясь во многих случаях исключительно беспроводными средствами. Продвижением стандарта 802.16 занимается консорциум WiMAX (World Interoperability for Microwave Access), куда входят Fujitsu, Intel и Nokia. Краткие характеристики стандарта 802.16 приведены в табл. 1.1.
Модель антенной решетки из 4 излучателей
Самым распространенным элементом, имеющим всенаправленную ДН, является полу волновой вибратор. Он представляет собой два проводника, каждый из которых равняется четверти длины волны.
На рис. 1.21 представлена печатная антенна на основе полуволновых вибраторов [13]. Антенна представляет собой двустороннюю печатную плату. На каждой из сторон платы размещаются линии передачи, соединяющие все излучатели в единую АР. Антенна работает в диапазоне частот 5,15-5,35 ГГц, что соответствует ширине полосы пропускания 4%. Узкополосность АР можно объяснить применением тонкого излучателя. Таким образом, данная АР имеет узкую полосу пропускания и не может решить задачи построения широкополосной АР для СШБД «WiMic».
Особенностью антенных систем базовых станций сотовой связи третьего поколения является необходимость работы в трех частотных диапазонах в каждой соте [14]. Сеть 3G является динамической сетью с изменяющейся зоной покрытия, так как изменение частоты в пределах каждой соты приводит к существенному изменению ее площади. Поэтому антенна базовой станции сотовой связи третьего поколения, в отличие от антенн сетей первого и второго поколений с неизменными границами зон обслуживания, должна иметь возможность электрического управления лучом ДН в вертикальной плоскости, уменьшающего негативные эффекты от взаимного влияния соседних сот.
В настоящее время для обеспечения работы базовой станции в трех диапазонах применяется несколько антенн, каждая из которых работает в одном частотном диапазоне. Необходимость размещения трех антенн на одной несущей конструкции может привести к её перегрузке. Поэтому возникает необходимость перехода от узкополосных антенн к совмещенным или широкополосным антеннам.
Таким образом, рассматриваемые антенные системы должны состоять из малогабаритных и широкополосных элементов, таких, например, как микрополосковые излучатели. Следует также отметить, что для построения антенных систем базовых станций сотовой связи третьего и четвертого поколения зарубежом широко используются излучатели Вивальди.
Известны результаты исследования и разработкя отечественной антенны для базовой станции сотовой связи 3G [15] с сектором обзора в горизонтальной плоскости. На рис. 1.22 показан общий вид такой антенны.
Антенна представляет собой двустороннюю печатную плату. На одной стороне располагается излучатель Вивальди, на другой - микрополосковая линия, питающая антенну. Особую роль играет экран-рефлектор, который формирует требуемую ДН антенны.
На рис. 1.23 представлена расчетная зависимость КСВН от частоты для излучателя Вивальди. Видно, что излучатель работает в широком диапазоне частот по уровню 2, что соответствует значению модуля коэффициента отражения -9,5 дБ.
Таким образом, МПА Вивальди имеют широкую полосу пропускания, но не подходят для СШБД. 1.5.6 Активные фазированные антенные решетки на основе излучателей Вивальди
Широкое применение излучатели Вивальди получили в активных фазированных антенных решетках (АФАР). Имея широкую рабочую полосу, они используются и в радиолокации, и в АФАР самолетов [16-19].
На рис. 1.24 представлена АФАР из 12 элементов Вивальди, по 2 в каждом ряду. Данная антенна используется в аппаратуре связи, которая обеспечивает одновременное функционирование двух каналов связи - канала данных (КД) и канала управления (КУ). Скорость передачи информации в КД должна быть не менее 10 Мбит/с. Скорость передачи информации в КУ должна быть не менее 40 Кбит/с. На рис. 1.25 представлен коэффициент направленного действия (КНД) для прямого положения луча и наклоненного на 30.
Использование излучателей Вивальди в АФАР самолетов получило большое распространение благодаря удобству размещения элементов, их широким диапазонным свойствам и ширине ДН элемента около 80 градусов, что обеспечивает сканирование пространства в широком диапазоне углов. В частности, на рис. 1.26 представлена АФАР иностранного истребителя F-35 APG-81. Рис. 1.26. АФАР самолета F-35 APG-81
В данном разделе рассмотрена эволюция широкополосных антенн [20]. На рис. 1.27 представлена эволюция широкополосного излучателя в форме слезы. Данная форма излучателя обеспечивает широкую полосу пропускания антенны и имеет вертикальную поляризацию [21-30]. Рис. 1.27. Эволюция широкополосного излучателя в форме слезы
Тем не менее, применение подобных конструкций не является достаточным для достижения цели, так как из-за требований биологической защиты и электромагнитной совместимости повышение мощности и расширение полосы частот ограничено. Поэтому если в системах связи повышение излучаемой мощности и расширение полосы частот не обеспечивают необходимую скорость передачи данных, то одним из самых эффективных способов решения этой проблемы может быть применение адаптивных антенных решёток. Системы связи, которые используют такие антенны, получили название MIMO систем (Multiple Input Multiple Output) [31]. Антенны, которые используются в данных системах связи, имеют двойную поляризацию и отличаются широкополосностью. Объединение излучателей в форме слезы в четверку дает возможность обеспечить ширину полосы пропускания свыше 90%. Антенна представляет собой систему дипольных излучателей, которые расположены ортогонально относительно друг друга. Каждая из дипольных систем имеет свой независимый тракт питания.
Наличие двух поляризаций в антенне позволяет одновременно передавать и принимать в одном радиоканале несколько сигналов. Сигналы могут нести одну и ту же информацию для увеличения надежности передачи или разную для увеличения скорости передачи, либо комбинировать эти методы.
Каждый сигнал передается со своего передатчика, имеющего свою антенну. Каждая из нескольких разнесенных приемных антенн одновременно принимает свою относительно уникальную копию передаваемого сигнала. При помощи достаточно сложных математических алгоритмов из ситуации «несколько передатчиков - несколько приемников» (а коротко - MIMO) можно извлечь следующие выгоды: - использовать несколько передатчиков для повышения отношения сигнал-шум на приеме; - использовать несколько приемников для повышения отношения сигнал-шум на приеме (MIMO-эквалайзер); - возможность передавать больше информации в одном и том же радиоканале. Основным недостатком данных излучателей является сложность их объединения в АР. Излучатель имеет две поляризации, поэтому АР должна содержать 2 независимых делителя мощности, что подразумевает под собой многослойную печатную плату. Исходя из требований, предъявляемых к АР для СШБД «WiMic», они должны иметь линейную поляризацию. 1.6 Аналитический обзор программного обеспечения по электродинамическому моделированию
Выбору программного продукта для расчета АР уделено особое внимание, т.к. должно быть получено соответствие расчетных и экспериментальных данных. В прил. 1 приведен обзор программных продуктов для электродинамического анализа различных структур.
Огромное разнообразие программных продуктов для расчета различных структур требует немалых знаний для работы с ними. Прежде всего, необходимо понимать и адекватно оценивать полученные результаты, а также впоследствии делать выводы и вносить, если требуется, исправления в расчетную модель, после испытаний макетов.
Непонимание процессов, протекающих в структурах, принципов их работы влечет за собой большую вероятность получения некорректных результатов, которые впоследствии могут привести к неправильной работе оборудования в процессе его эксплуатации. Каждый программный продукт имеет своё назначение и область применения, иногда они содержат в себе несколько приложений, позволяющих использовать их для решения различного рода задач.
Практическая реализация антенны HaFR-4
Так как эллиптический излучатель не смог решить поставленной задачи, появилась необходимость в выборе нового излучателя. В зарубежной литературе [33] удалось найти излучатель, состоящий из пяти круглых элементов: в центре больший, а по краям меньшие. Питание излучателя обеспечивается портом, который подключается снизу, непосредственно к активному излучателю (Рис. 2.14). Согласно описания данный элемент имеет КУ 11,7 дБ, полосу пропускания 16,7 %. Его широкополосность объясняется тем, что полоса пропускания излучателя складывается из резонансов 4-х пассивных излучателей и 1 -го активного.
Данный излучатель смоделирован в программе электродинамического анализа и пересчитан на требуемый частотный диапазон, в результате чего были получены его основные характеристики, из которых следует, что данный излучатель является, действительно, широкополосным и имеет большой КУ (Рис. 2.15, Рис. 2.16, Рис. 2.17). Излучатель запитывается с краю, через полосок, связанный с активным резонатором емкостно, чтобы была возможность собрать в дальнейшем АР. Точка запитки выбиралась из условия большего коэффициента усиления на заданной частоте.
Необходимо изготовить данный элемент и сравнить частотные характеристики модулей коэффициентов отражения. Для того, чтобы запитать излучатель с края необходимо удлинить питающий полоску (Рис. 2.18). При этом возникает вероятность наклона ДН, что в дальнейшем придется исправлять. Характеристика модуля коэффициента отражения данного элемента, с удлиненной полоской, показана на Рис. 2.19, из которого видно, что она, почти, не изменилась, т.к. вся реактивность скомпенсирована. Но ДН наклонилась на 15, из-за того, что полоска сама начинает излучать, о чем также свидетельствует увеличившийся КУ (Рис. 2.20). Искривление происходит потому, что пассивные резонаторы, находясь близко от полоска, начинают переизлучать на него энергию, вследствие чего, сама полоска становится излучателем. Это необходимо исправить, чтобы выровнить ДН.
При изготовлении данного вида излучателя, использовались те же материалы, что и при изготовлении эллиптического: ФАФ-4Д и изолон. Высота изолона составляет 4 мм, а ФАФ-4Д 0,5 мм, толщина фольги 0,05 мм. Они модулировались одним слоем с ег 1,1 (Рис. 2.21).
Запитка излучателя осуществлялась через коаксиально-полосковый переход. Длина его штыря составляет 5 мм. На Рис. 2.22 показана экспериментальная зависимость модуля коэффициента отражения от частоты.
Измеренная зависимость модуля коэффициент отражения от частоты для гибридного излучателя при длине штыря 5 мм Из Рис. 2.22 видно, что характер теоретического (Рис. 2.19) и полученного на практике коэффициента отражения, совпадает, но практический поднят на 12 дБ выше. Как оказалось, такой эффект даёт штырь, являющийся индуктивностью на высоких частотах. После того, как было произведено его укорочение на 3 мм, характеристика стала почти соответствовать расчетам Рис. 2.23. Из этого следует корректность выполненного моделирования и сделанных при этом допущений, а также пригодность гибридного излучателя для построения АР, входящей с в состав абонентской станции «WiMic-6000».
В программе электродинамического анализа есть возможность, построения ДН без учета делителя мощности в полярной системе координат (Рис. 2.24) и (Рис. 2.25). Видно, что ДН имеет наклон на 5 и имеет КУ 20,2 дБ, вместо ожидаемых 22 дБ. Данный недостаток можно исправить, ослабив влияние боковых резонаторов на полосок.
Приближение верхних пассивных резонаторов к нижним (Рис. 2.26) ослабило их влияние на полоску и уменьшило размеры излучателя, а значит и всей системы в целом. Также удалось уменьшить наклон ДН с 15 (Рис. 2.20) до 5 (Рис. 2.27). Модуль коэффициента отражения изменился незначительно (Рис. 2.28).
Эффективность излучения и согласования антенны зависит от правильного выбора линий передачи. При конструировании планарных антенн чаще всего применяются открытые МПЛ.
Основными составляющими делителя являются печатные проводники разных длин и ширин. Сложность состоит в том, что они должны быть правильно подобраны и согласованы друг с другом, иначе появятся потери, связанные с отражением волн. Проектирование делителя начинается с определения расстояния между излучателями. Оно должно быть кратно половине длине волны, на которой работает антенна, т.е. 50 мм. Для выравнивания ДН, необходимо по горизонтали увеличить это расстояние до 70 мм. Это не так существенно потому, что набег фаз от центра антенны до каждого излучателя будет одинаковым.
Расположив таким образом излучатели, можно оценить вид АР (Рис. 2.29). Центр антенны отмечен белой точкой, это место подключения порта. Для согласования с портом 50 Ом отходящие от него МПЛ должны иметь волновые сопротивления 100 Ом. После них использован четверть волновой трансформатор. Сопротивление трансформатора рассчитывается как: Я,=7 Л, (2.3) где R, - сопротивление трансформатора; Я, - сопротивление подводящей линии; &, - сопротивление точки, с которой производится согласование. Для согласования МПЛ с волновым сопротивлением 100 Ом с разветвлением трех МПЛ по 125 Ом, волновое сопротивление трансформатора будет 42 Ом.
Секторная микрополосковая антенная решетка для базовой станции «WiMic-2000»
В данной главе представлены результаты разработки секторной антенной решетки. Антенная решетка предназначена для работы в составе СШБД «WiMic-6000».
Антенные решетки, которые применяются в составе базовых станций, как правило, имеют определенный сектор излучения. Поэтому такие антенные решетки называют секторными. Чаще всего ширина ДН антенной решетки в Н-плоскости равна 60 или 90. В данном случае, требовалось рассчитать антенные решетки для базовой станции «WiMic-6000», работающей в полосе 5,1-5,7 ГГц и 5,7-6,5 ГГц по уровню не хуже -11,8 дБ, с шириной ДН в Н-плоскости 90.
Основным излучающим элементом антенной решетки выбран полуволновой вибратор, дополненный директором (Рис. 4.1). Директор обеспечивает прирост коэффициента усиления излучателя и увеличивает полосу пропускания. Полуволновый вибратор является одним из основных излучателей, на основе которых строятся секторные антенные решетки для базовых станций.
Питание полуволнового вибратора обеспечивается симметрирующим устройством - сложенным мостом Маршанда (Рис. 4.2), который обеспечивает согласование делителя мощности антенной решетки с излучателем [37]. Мост Маршанда обеспечивает деление подводимого сигнала на два с равными амплитудами и фазами, отличающимися на 180. Симметрирующее устройство представляет собой двустороннюю печатную плату, на одной стороне которой расположена полоска, по которой подводится сигнал. На обратной стороне распложен конусообразный проводник, имеющий дифференциальный выход. Зависимость модуля коэффициента отражения моста Маршанда от частоты показана на Рис. 4.3 [37].
На Рис. 4.4 показана расчетная зависимость модуля коэффициента отражения излучателя секторной антенной решетки от частоты, излучатель имеет полосу пропускания 5,07-6,55 ГГц по уровню -15 дБ. Данный факт позволяет использовать данный излучатель для построения антенной решетки, которая обеспечит работу базовой станции как с одним, так и с другим рабочим диапазоном частот. Т.е. одна антенная решетка будет работать на двух близких диапазонах частот, что позволит исключить затраты на разработку дополнительной антенны.
На Рис. 4.5 показана ДН излучателя в полярной системе координат для Н-и Е-плоскостей. Видно, что КУ излучателя равен 5 дБ, ширина ДН в Н-плоскости 189. По (2.4), получим, что расчетный КУ антенной решетки должен быть равен 14 дБ.
Для построения АР использован ненаправленный делитель мощности на 2. Делитель выполнен на основе МПЛ (Рис. 4.6). Основная задача делителя -обеспечить равное деление мощности между всеми излучателями АР [35]. Задачу построения делителя решено было разбить на более простые. Сначала был посчитан делитель мощности на 2. Расчетная зависимость модуля коэффициента отражения от частоты для делителя мощности на 2 показана на Рис. 4.7. Затем он был нагружен на излучатели и получена их совместная зависимость модуля коэффициента отражения от частоты. На Рис. 4.8 представлена ЗО-модель делителя мощности на 2, который нагружен на излучатели.
На Рис. 4.9 представлена расчетная зависимость модуля коэффициента отражения от частоты делителя мощности на 2, нагруженного с обеих сторон на излучатели. Полоса пропускания системы 5,1-6,6 ГГц по уровню -15 дБ.
На Рис. 4.10 показана ДН двух излучателей, объединенных делителем мощности на 2. Видно, что КУ системы 8,2 дБ, ширина ДН в Н-плоскости равна 180, в Е-плоскости- 32. Расстояние между излучателями выбиралось из условия, что эффективная площадь полуволнового вибратора соответствует эллипсу с размерами 0,25 х 0,75Х, в Н- и Е-плоскостях [36]. ДН имеет равномерный вид, без провалов в излучении.
Объединение четырех излучателей реализовано при помощи делителя мощности на 4. На Рис. 4.13 показана ЗО-модель четверки излучателей, объединённых между собой делителем мощности на 4. На Рис. 4.12 представлена расчетная зависимость модуля коэффициента отражения от частоты делителя мощности на 4, нагруженного на излучатели. Видно, что полоса пропускания системы 5,07-6,6 ГГц по уровню -15 дБ.
Разбив антенную решетку на простые составные части и получив их основные характеристики, стало возможным объединение четверки излучателей, объединенных делителем мощности и входного делителя мощности на 2. На Рис. 4.16 показана ЗЭ-модель антенной решетки, состоящей из восьми излучателей. Экраном-рефлектором служит плоская проводящая поверхность, которая является основанием антенной решетки. Электрический контакт плоскости земли АР с экраном обеспечивается металлическими уголками. Модуль коэффициента отражения и передачи, дБ отражения антенной решетки от частоты. Маркерами обозначена полоса пропускания антенной решетки 5,0-6,6 ГГц по уровню -14 дБ. Как отмечалось раньше, излучатель, имеющий широкую полосу пропускания, позволяет создать широкополосную антенную решетку. На Рис. 4.18 показана ДН антенной решетки. КУ 13,6 дБ, ширина ДН в Н-плоскости 202,4, в Е-плоскости 7,1 по уровню половинной мощности.
