ИССЛЕДОВАНИЕ ВЛИЯНИЯ РАССТОЯНИЯ МЕЖДУ АНТЕННАМИ В MIMO АНТЕННОЙ РЕШЕТКЕ ДЛЯ СЕТЕЙ ПЯТОГО ПОКОЛЕНИЯ Текст научной статьи по специальности «Строительство и архитектура»

DOI 10.25987/VSTU.2020.16.4.012 УДК 621.396

ИССЛЕДОВАНИЕ ВЛИЯНИЯ РАССТОЯНИЯ МЕЖДУ АНТЕННАМИ В MIMO АНТЕННОЙ РЕШЕТКЕ ДЛЯ СЕТЕЙ ПЯТОГО ПОКОЛЕНИЯ

С.А. Антипов, Е.А. Ищенко, В.Н. Кострова, К.А. Разинкин, Д.А. Стежкин, С.М. Фёдоров

Воронежский государственный технический университет, г. Воронеж, Россия

Аннотация: рассмотрена MIMO антенная решетка для сетей пятого поколения (5G), которая позволяет осуществлять работу в режиме 2x2. Для полученной конструкции исследованы основные характеристики MIMO антенной системы: коэффициент корреляции огибающей, коэффициент усиления при разнесенном режиме, эффективность сложения. Производилось исследование влияния расстояния между антенными элементами на данные показатели, по которым были сделаны выводы по выбору оптимального расстояния между излучателями в системе. Моделирование и расчет производились с использованием CST Studio Suite. Так, по полученным результатам доказано, что при расстоянии между элементами в 0.5 длины волны достигается максимальная производительность MIMO антенной решетки и последующее увеличение данного расстояния теряет смысл. При этом на частотах работы 5G было получено, что расстояние между элементами равное 0.2 длины волны обеспечивает требуемые значения коэффициента корреляции огибающей, чтобы обеспечить стабильное функционирование MIMO антенной решетки. Приведены изображения рассматриваемых конструкций, основные правила расчетов характеристик MIMO антенных решеток, построены графики коэффициентов корреляции, коэффициентов усиления при разнесенном приеме, эффективности сложения при разных значениях расстояния между элементами

Ключевые слова: MIMO антенная решетка, коэффициент корреляции огибающей, коэффициент усиления при разнесенном режиме, эффективность сложения, связь пятого поколения

Введение

Технология множественных входов, множественных выходов или MIMO набирает все большую популярность в современных высокопроизводительных стандартах связи. На основе системы MIMO построено множество современных высокотехнологичных стандартов связи, в которых данная технология является обязательной:

1) Wi-Fi 5 (802.11ac);

2) Wi-Fi 6 (802.11ax);

3) LTE-A;

4) 5G

Внедрение технологии 5G (IMT 2020) напрямую связано с MIMO, так как эта технология позволяет значительно улучшить пропускную способность канала связи, повысить стабильность, что особенно важно в частотных диапазонах, которые выделены для 5G. Поэтому разработка новых конструкций MIMO антенных решеток для сетей пятого поколения является важной задачей, так как требуется уместить большее число антенн в корпусе мобильного устройства.

Поэтому появляется задача уменьшения взаимного влияния антенн в системе при уменьшении расстояния между элементами.

Основные параметры MIMO антенной решетки

Для описания основных характеристик эффективности MIMO антенной решетки применяют три основных параметра, которые должны обеспечивать оптимальное функционирование системы в диапазоне рабочих частот, а также обеспечивать небольшой запас по параметрам, чтобы не оказывать влияния на другие антенные решетки, которые устанавливаются рядом.

Самой главной характеристикой MIMO антенной решетки является коэффициент корреляции огибающей (Envelope Correlation Coefficient (ECC)) [1], который можно рассчитать по двум формулам:

п __\S11S12+S21S22\2_ (1)

Ре~ (1-|S11|2-|S21|2)(1-|S22|2-|S12|2) ' ^ >

где ре - коэффициент корреляции MIMO; $тп - S - параметры двух антенн; * - обозначает взятие комплексно-сопряженного числа.

Недостатком формулы (1) является то, что ее возможно применять в ситуациях, когда КПД антенн превышает 90% (>-1 дБ), однако типичные мобильные антенны, изготовленные по планарной технологии, имеют КПД около 70%, что делает применение данной формулы

© Антипов С.А., Ищенко Е.А., Кострова В.Н., Разинкин К.А., Стежкин Д.А., Фёдоров С.М., 2020

невозможным, в таких случаях используют следующее выражение:

Ре =

tfki(0^)|2dnJJ|F2(0,<p)|2dn

(2)

где ре - коэффициент корреляции MIMO; Fn(0, - диаграмма направленности антенны; * - обозначает взятие комплексно-сопряженного числа.

Коэффициент корреляции огибающей желательно свести к минимуму, тогда MIMO антенная решетка будет работать оптимально. Для улучшения данного показателя можно предложить три метода:

1) увеличить расстояние между антенными элементами;

2) изменить тип поляризации одного из излучателей;

3) отрегулировать направление главного лепестка антенны.

На основе рассчитанного коэффициента корреляции можно рассчитать оставшиеся параметры MIMO антенной решетки. Следующим важным параметром антенной системы является коэффициент усиления при разнесенном режиме (Diversity Gain (DG)), максимальное значение которого, равное 10, достигается при наиболее оптимальном расположении антенн друг относительно друга. Коэффициент усиления при разнесенном режиме можно найти в соответствии с формулой:

DG = 10-VT—^ , (3)

где DG - коэффициент усиления при разнесенном режиме;

ре - коэффициент корреляции огибающей, может быть рассчитан в соответствии с (1) или (2).

Как видно по формуле (3), коэффициент усиления при разнесенном режиме напрямую связан с коэффициентом корреляции огибающей, который в лучшем случае имеет значение равное 0, а, соответственно, значение DG в идеальной ситуации ограничено 10.

Следующим важным параметром MIMO антенной решетки является эффективность сложения (Multiplexing Efficiency) [2], которая определяет, насколько эффективно принятые сигналы могут быть объединены в антенной системе для последующей обработки. Данный показатель эффективности MIMO антенной решетки может быть рассчитан в соответствии с формулой:

ME = V^2(1- Ре) , (4)

где ME - эффективность сложения, как правило, график данного параметра строится в дБ шкале;

Tjn - КПД n-й антенны;

ре - коэффициент корреляции огибающей, может быть рассчитан в соответствии с (1) или (2).

Таким образом, в идеальном режиме работы MIMO антенной решетки, а также при наличии идеальных антенн со 100% КПД значение эффективности сложения составит 1 или 0 дБ. Данный параметр должен иметь максимальное значение на частоте резонанса антенны.

Определение влияния расстояния между антеннами на основные параметры MIMO антенной решетки

Для системы связи 5G FCC выделила три основных частотных диапазона: 28 ГГц, 37 ГГц, 39 ГГц. Для построения MIMO антенной решетки была выбрана система, состоящая из двух микрополосковых патч-антенн, подробный расчет и анализ которой выполнялся в [3]. Модель такого излучателя приведена на рис. 1, а основные геометрические параметры в табл. 1.

Рис. 1. Модель антенны с указанием параметров

Таблица 1 Размеры патч-антенны

L, W, Щ, Lf, H, Si,

мм мм мкм мм мкм мкм мкм

2.259 2.834 364.5 2.578 145 783 101.2

Для определения влияния расстояния между излучателями на характеристики MIMO системы рассмотрим 5 случаев:

1) Расстояние между излучателями 0.02А;

2) Расстояние между излучателями 0.07А;

3) Расстояние между излучателями 0.2А;

4) Расстояние между излучателями 0.5А;

5) Расстояние между излучателями 11,

где А - длина волны на рабочей частоте, которая для рассматриваемого случая равна:

з^м/с = 8.10-з

Ä = — =

f 37-Ю9 Гц

м

(5)

где c - скорость света; f - рабочая частота антенны.

На основе этих данных были сформированы 5 MIMO антенных решеток с соответствующим расстоянием между антеннами рис. 2-6.

Рис. 2. Модель MIMO антенной решетки с расстоянием между излучателями в 0.17 мм (0.02Я)

Рис. 3. Модель MIMO антенной решетки с расстоянием между излучателями в 0.57 мм (0.07Я)

Рис. 4. Модель MIMO антенной решетки с расстоянием между излучателями в 1.6 мм (0.2Я)

Рис. 5. Модель MIMO антенной решетки с расстоянием между излучателями в 4 мм (0.5Я)

Рис. 6. Модель MIMO антенной решетки с расстоянием между излучателями в 8 мм (1Я)

По полученным результатам моделирования КПД такого антенного элемента составляет 67%, соответственно для определения коэффициента корреляции огибающей нельзя использовать формулу (1), а следовательно расчет производится на основе диаграмм направленности по формуле (2). Для того чтобы рассчитать требуемые характеристики MIMO антенной решетки, можно воспользоваться встроенными шаблонами обработки результатов в CST Studio Suite.

По полученным результатам коэффициент корреляции для рассмотренных моделей антенных решеток приведен на рис. 7, для его измерения был выбран диапазон частот от 20 до 55 ГГц, диаграммы направленности строились с шагом в 1 ГГц.

Рис. 7. Коэффициент корреляции MIMO антенной решетки: 1 - 0.02Я; 2 - 0.07Я; 3 - 0.2Я; 4 - 0.5Я; 5 - 1Я

Так, известно, что оптимальным значением коэффициента корреляции для MIMO антенной решетки являются значения ниже 0.3, а при превышении 0.5 нарушается работа антенной системы. При расстоянии между элементами менее 0.1А коэффициент корреляции начинает превышать уровень в 0.3.

Рассчитаем и построим для частот от 20 до 55 ГГц коэффициент усиления при разнесенном режиме, полученные графики приведены на рис. 8.

Рис. 8. Коэффициент усиления при разнесенном режиме: 1 - 0.02Я; 2 - 0.07Я; 3 - 0.2Я; 4 - 0.5Я; 5 - U

По полученной зависимости видно, что наихудшие значения DG принимает при близко расположенных антенных элементах на расстоянии менее 0.1 А.

При построении эффективности сложения MIMO антенной решетки (ME) (рис. 9) будем рассматривать частотный диапазон от 20 до 50 ГГц, причем полученный график построен в дБ масштабе:

ME(dB) = 10lg(V^2(1-pe)). (6)

Рис. 9. Эффективность сложения MIMO антенной решетки: 1 - 0.02Я; 2 - 0.07Я; 3 - 0.2Я; 4 - 0.5Я; 5 - U

Как видно по полученным зависимостям, эффективность сложения всех вариантов расположения антенных элементов приблизительно одинакова в широком диапазоне частот.

Сведем все полученные результаты в общую табл. 2.

Таблица 2

Результаты исследования MIMO антенной решетки для сетей 5G

По полученным результатам видно, что расстояние равное 0.2А между антенными элементами в MIMO антенной решетке достаточно для обеспечения стабильной работы системы, а также при увеличении расстояния между элементами после 0.5Я не приносит какого-либо значительного выигрыша, а, соответственно, при разнесении на полдлины волны уже достигаются максимально возможные показатели антенной решетки.

Заключение

В процессе моделирования рассматривалась ситуация, когда функционирование MIMO антенной решетки осуществлялось в режиме 2x2, однако для сетей 5G также применяется система 4x4, и при ее формировании антенные элементы помещаются в одну линию с одинаковым расстоянием и, соответственно, наибольший интерес представляют именно два рядом расположенных элемента, как и было рассмотрено в данной статье.

По полученным результатам видно, что оптимальные значения основных параметров MIMO антенной решетки могут быть достигнуты уже при расстоянии между элементами в 0.2А, а максимальная производительность системы достигается уже при 0.5А.

Литература

1. Blanch S., Romeu J., Corbella I. Exact representation of antenna system diversity performance from input parameter description // Electronics letters. 2003. V. 39. № 9. pp. 705-707.

2. Tian R., Lau B.K., Ying Z. Multiplexing Efficiency of MIMO Antennas // IEEE Antennas and Wireless Propagation Letters. 2011. V. 10. pp. 183-186.

3. Исследование влияния длины патч-излучателя на его характеристики / С.М. Фёдоров, Е.А. Ищенко, М.А. Сиваш, И.А. Зеленин // Вестник Воронежского государственного технического университета. 2020. Т. 16. № 2. С. 113-120.

Расстояние между элементами, X ECC, 37 ГГц ECC макс. DG, 37 ГГц DG мин. ME, 37 ГГц

0.59 6.40

0.02 0.0856 9.56 -3.3

(35ГГц) (35ГГц)

0.07 0.0249 0.55 (20ГГц) 9.87 6.73 (20ГГц) -2.2

Поступила 18.06.2020; принята к публикации 20.08.2020

Информация об авторах

Антипов Сергей Анатольевич - д-р физ.-мат. наук, профессор кафедры физики, Воронежский государственный технический университет (394026, Россия, г. Воронеж, Московский проспект, 14), тел. +7(473)246-27-00, e-mail: antp54@mail.ru Ищенко Евгений Алексеевич - студент, Воронежский государственный технический университет (394026, Россия, г. Воронеж, Московский проспект, 14), тел. +7(473)243-77-29, e-mail: kursk1998@yandex.ru

Кострова Вера Николаевна - д-р техн. наук, профессор кафедры систем информационной безопасности, Воронежский государственный технический университет (394026, Россия, г. Воронеж, Московский проспект, 14), тел. +7(473)243-77-04, e-mail: kostrova_v@mail.ru

Разинкин Константин Александрович - д-р техн. наук, профессор кафедры систем автоматизированного проектирования и информационных систем, Воронежский государственный технический университет (394026, Россия, г. Воронеж, Московский проспект, 14), e-mail: kostyr@mail.ru

Стежкин Дмитрий Александрович - студент, Воронежский государственный технический университет (394026, Россия, г. Воронеж, Московский проспект, 14), тел. +7(473)243-77-29, e-mail: stezhkin2012@mail.ru

Фёдоров Сергей Михайлович - канд. техн. наук, доцент кафедры радиоэлектронных устройств и систем, Воронежский государственный технический университет (394026, Россия, г. Воронеж, Московский проспект, 14), тел. +7(473)243-77-29, e-mail: fedorov_sm@mail.ru

INVESTIGATION OF THE INFLUENCE OF THE DISTANCE BETWEEN ANTENNAS IN MIMO ANTENNA ARRAY FOR FIFTH GENERATION COMMUNICATIONS

S.A. Antipov, E.A. Ishchenko, V.N. Kostrova, K.A. Razinkin, D.A. Stezhkin, S.M. Fyedorov

Voronezh State Technical University, Voronezh, Russia

Abstract: the article discusses the MIMO antenna array for fifth generation networks (5G), which allows one to work in 2x2 mode. For the design obtained, the main characteristics of the MIMO antenna system were studied: envelope correlation coefficient, diversity gain, and multiplexing efficiency. A study was made of the influence of the distance between the antenna elements on these indicators, according to which conclusions were drawn on choosing the optimal distance between the emitters in the system. Modeling and calculation were carried out using CST Studio Suite. Thus, according to the results obtained, it is proved that when the distance between the elements is 0.5 wavelengths, the maximum MIMO performance of the antenna array is achieved and a subsequent increase in this distance loses its meaning. At the same time, at frequencies of 5G, it was found that the distance between the elements equal to 0.2 wavelength provides the required values of the envelope correlation coefficient to ensure stable operation of the MIMO antenna array. The article presents the images of the structures under consideration, the basic rules for calculating the characteristics of MIMO antenna arrays, graphs of correlation coefficients, gain factors for diversity reception and multiplexing efficiency for different values of the distance between elements are constructed

Key words: MIMO antenna array, envelope correlation coefficient, diversity gain, multiplexing efficiency, fifth generation communications

References

1. Blanch S., Romeu J., Corbella I. "Exact representation of antenna system diversity performance from input parameter description", Electronics Letters, 2003, vol. 39, no. 9, pp. 705-707.

2. Tian R., Lau B.K., Ying Z. "Multiplexing efficiency of MIMO antennas", IEEE Antennas and Wireless Propagation Letters, 2011, vol. 10, pp. 183-186

3. Fedorov S.M., Ishchenko E.A., Sivash M.A., Zelenin I.A. "Investigation of the effect of the patch emitter length of its characteristics", Bulletin of Voronezh State Technical University (Vestnik Voronezhskogo gosudarstvennogo technicheskogo universi-teta), 2020, vol. 16, no. 2. pp 113-120.

Submitted 18.06.2020; revised 20.08.2020 Information about the authors

Sergey A. Antipov, Dr. Sc. (Physics and Mathematics), Professor, Voronezh State Technical University (14 Moscovskiy prospect, Voronezh 394026, Russia), tel.: +7 (473)243-77-29, e-mail: antp54@mail.ru

Evgeniy A. Ishchenko, student, Voronezh State Technical University (14 Moscovskiy prospect, Voronezh 394026, Russia), tel.: +7 (473)243-77-29, e-mail: kursk1998@yandex.ru

Vera N. Kostrova, Dr. Sc. (Technical), Professor, Voronezh State Technical University (14 Moscovskiy prospect, Voronezh 394026, Russia), tel.: +7 (473)243-77-29, e-mail: kostrova_v@mail.ru

Konstantin A. Razinkin, Dr. Sc. (Technical), Professor, Voronezh State Technical University (14 Moscovskiy prospect, Voronezh 394026, Russia), tel.: +7 (473)243-77-29, e-mail: kostyr@mail.ru

Dmitriy A. Stezhkin, student, Voronezh State Technical University (14 Moscovskiy prospect, Voronezh 394026, Russia), tel.: +7 (473)243-77-29, e-mail: stezhkin2012@mail.ru

Sergey M. Fyedorov, Cand. Sc. (Technical), Associate Professor, Voronezh State Technical University (14 Moscovskiy prospect, Voronezh 394026, Russia), tel. +7 (473)243-77-29, e-mail: fedorov_sm@mail.ru

95