CC BY
159
УДК 621.372.8; 621.396.67
МИКРОПОЛОСКОВАЯ ДИАГРАММООБРАЗУЮЩАЯ СХЕМА ДЛЯ СЕТЕЙ ТЕЛЕКОММУНИКАЦИЙ НА ОСНОВЕ МНОГОЛУЧЕВЫХ АНТЕННЫХ РЕШЕТОК
А.В. Останков, Н.Н. Щетинин, В.А. Мельник
В статье предложена и на основе электродинамического моделирования исследована микрополосковая реализация четырёхлучевой матрицы Батлера. Матричная схема выполнена с использованием двухшлейфных направленных ответвителей оригинальной топологии и не содержит кроссоверов. Отсутствие кроссоверов и применение отрезков искусственных длинных линий для реализации направленных ответвителей позволило обеспечить сравнительно малые потери в матричной схеме, а также относительно малые габариты и площадь, занимаемую схемой на диэлектрической подложке. Предложенная матричная схема обладает более чем удовлетворительными электрическими характеристиками и предназначена для питания фазированных антенных решеток в системах связи ультравысоких частот
Ключевые слова: антенная решётка, диаграммообразующая схема, матрица Батлера, направленный ответвитель, амплитудно-частотная характеристика
Для управления положением в пространстве диаграммой направленности (ДН) фазированной антенной решётки применяются диаграммообразу-ющие схемы (ДОС). Зачастую ДОС рассматривается как более простая и относительно дешёвая альтернатива системе цифрового диаграммообразования. При этом электрические характеристики ДОС в значительной степени определяют характеристики радиотехнической системы в целом [1].
Наиболее распространёнными являются параллельная (матрица Батлера) и последовательная (матрица Бласса) ДОС [1]. Одним из немаловажных преимуществ матричных вариантов ДОС является возможность их составления из идентичных восьмипо-люсных устройств, реализованных в виде направленных ответвителей, и набора фиксированных фазовращателей (см., например [2]). На практике по большей части используется ДОС в виде матрицы Батлера [3-5].
Матрица Батлера имеет N = 2т входов (т — целое число) и аналогичное число выходов и запи-тывает N излучателей антенной решётки, обеспечивая формирование N ортогональных лучей. Схема матрицы содержит трёхдецибельные направленные ответвители и фазовращатели, вносящие рассогласование, а также амплитудные и фазовые погрешности. С увеличением числа ортогональных лучей ДН антенной решётки растёт количество последовательно соединённых элементов матричной схемы, а вносимые ими погрешности суммируются. Для обеспечения удовлетворительных параметров схемы с увеличением N существенно возрастают требования к её элементам. Это настолько усложняет проектирование тиражируемых матричных схем, что на практике обычно используют четырёх- и восьмилу-чевые матрицы Батлера и редко схемы с 16-ю лучами [5]. Матричная схема должна иметь минималь-
ные габариты и диссипативные потери, а также наименьшую разницу амплитуд сигналов и отклонений от заданной разности фаз сигналов на выходах.
Классическая четырёхлучевая матрица Батлера состоит из четырёх трёхдецибельных девяностоградусных направленных ответвителей, двух кроссоверов, двух фазовращателей на 45°. Такая матричная схема позволяет формировать четыре ортогональных луча ДН антенной решётки при запитке соответствующих входов. Сдвиги фаз между сигналами, регистрируемыми на соседних выходах (выходных портах) матричной схемы (порты 5 - 8), при возбуждении входов (порты 1 - 4) должны составлять "минус" 45°, 135°, "минус" 135° и 45° соответственно.
Распределение фаз на выходах схемы Батлера
Выходы Входы
Порт 1 Порт 2 Порт 3 Порт 4
Порт 5 -45° -135° -90° -180°
Порт 6 -90° 0° -225° -135°
Порт 7 -135° -225° 0° -90°
Порт 8 -180° -90° -135° -45°
Разность фаз, де -45° +135° -135° +45°
Направление основного лепестка ДН 1R 2L 2R 1L
(15°) (-45°) (45°) (-15°)
Структурная схема четырёхлучевой матрицы Батлера показана на рис. 1, из которого следует, что матричная схема представляет собой шестнадцати-полюсник с четырьмя входами (портами 1 - 4) и четырьмя выходами (портами 5 - 8), к которым подключаются излучатели (А1 - А4).
Электрические и эксплутационные характеристики матричных ДОС во многом определяются параметрами входящих в их состав направленных от-ветвителей. Выявление новых качественных свойств направленных ответвителей [6,7], оптимизация их электрических характеристик и совершенствование конструкций [8,9], миниатюризация [10], расширение полосы рабочих частот [11], улучшение технологической реализуемости при серийном тиражиро-
Останков Александр Витальевич - ВГТУ, д-р техн. наук, доцент, e-mail: avostankov@mail.ru Щетинин Никита Николаевич - Воронежский институт ФСИН РФ, преподаватель, e-mail: nikita.shetinin@mail.ru Мельник Вячеслав Александрович - Воронежский институт ФСИН РФ, канд. физ.-мат. наук, ст. преподаватель, e-mail: gloriy_@mail.ru
вании [12] продолжают оставаться актуальными задачами УВЧ, СВЧ и антенной техники.
-15° |+15° -45° Г\! Г\ +45°
"р"т_ор"2
порт 1 порт 2 Рис. 1. Структурная схема четырёхлучевой матрицы Батлера
Цель работы — применительно к коротковолновой части диапазона УВЧ предложить и исследовать микрополосковую четырёхлучевую матричную схему Батлера на основе малогабаритных направленных ответвителей оригинальной топологии.
Для уменьшения габаритных размеров направленного ответвителя традиционной топологии в виде совокупности четвертьволновых отрезков линий передачи в работе [13] авторами данной статьи предложено выполнить отрезки линий в виде искусственных длинных линий с сосредоточенными параметрами.
На рис. 2 показана микрополосковая топология двухшлейфного направленного ответвителя на основе искусственных длинных линий, предназначенного для работы на частотах 0.91 - 0.95 ГГц и равным делением мощности в выходных плечах. Диэлектрическая подложка микрополосковой схемы выполнена из материала RO4003C с относительной диэлектрической проницаемостью 3.55 толщиной 0.508 мм и тангенсом угла диэлектрических потерь 0.0027.
21,97
Порт 4
т
Порт 2 ^ ^ 2,01
Рис. 2. Используемая топология направленного ответвителя на основе искусственных длинных линий
Электродинамическое моделирование показанной на рис. 2 топологии, результаты которого представлены в [13], наглядно продемонстрировало, что характеристики направленного ответвителя оригинальной топологии практически не отличаются от характеристик традиционного ответвителя. Вместе с тем предложенная схема ответвителя использует на подложке площадь, в пять раз меньшую площади традиционной схемы.
Фазовращатель, входящий в состав матрицы Батлера, реализован в виде меандровой линии с тремя низкоомными шлейфами, разомкнутыми на концах и предназначенных для расширения полосы рабочих частот. Фазовращатель оптимизировался для частотного диапазона 0.91 - 0.95 ГГц (рис. 3, а). На рис. 3, б показаны результаты электродинамического моделирования микрополоскового фазовращателя в виде его фазочастотной характеристики. Параметры диэлектрической подложки фазовращателя соответствовали указанным выше. Из рис. 3, б следует, что на рабочих частотах 0.91 - 0.95 ГГц фазовый сдвиг составляет от "минус" 44° до "минус" 46°.
____I_%Л2
0,33
"""ЦРЦГ
Порт 2
ПортЗ Порт 4
0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 1.0 1.1 1.2 1.3
Частота, ГГц б
Рис. 3. Фазовращатель: топология и геометрические размеры (а), фазочастотная характеристика (б)
На рис. 4 показана предлагаемая микрополосковая топология четырёхлучевой матрицы Батлера. Матричная схема состоит из четырёх направленных ответвителей и двух фазовращателей. Представленная конфигурация исключает использование кроссоверов, что, в свою очередь, позволило снизить дис-сипативные потери и уменьшить габаритные размеры матрицы. Следует заметить, что классическая топология матрицы Батлера содержит один или несколько кроссоверов, обычно реализуемых последовательным соединением двух направленных ответвителей. Однако в тех случаях, когда питание антенной решетки осуществляется коаксиальным кабе-
а
лем, а не микрополосковой линией, можно обойтись и без использования микрополосковых кроссоверов (см., например, [14]).
74,58
Рис. 4. Разработанная четырёхлучевая матрица Батлера
Разработанная матричная схема обладает симметрией, поэтому при электродинамическом моделировании процессов в ней достаточно исследовать только варианты возбуждения со стороны двух входов — портов 1 и 2. На рис. 5 представлены амплитудно-частотные характеристики матричной схемы, полученные с помощью ознакомительной версии программного продукта Advanced Design System [15] при возбуждении со стороны порта 1.
0.8 0.9 1.0 1.1
Частота, ГГц
Рис. 5. Амплитудно-частотные характеристики матричной схемы при возбуждении со стороны порта 1
Из рис. 5, в частности, следует, что коэффициент отражения по входу Эц составляет на центральной частоте "минус" 33.5 дБ. В пределах частотного диапазона 0.91 - 0.95 ГГц коэффициент отражения по входу эц, а также развязка между входными портами э21, э31, э41 не превышают по величине уровень
"минус" 23 дБ. Сквозные коэффициенты передачи э51, э61, э71, э81 в рабочей полосе частот характеризуются разбалансом амплитуд, который составляет не более 1.2 дБ.
Амплитудно-частотные характеристики матричной схемы при возбуждении со стороны порта 2 показаны на рис. 6. Они во многом схожи с показанными на рис. 5. Коэффициент отражения по входу э22 обладает в полосе частот минимальным значением, равным "минус" 32.5 дБ. В рабочей полосы частот 0.91 - 0.95 ГГц коэффициент отражения э22, развязка между входными портами э12, э32, э42 не превышают уровень "минус" 24 дБ, а коэффициенты передачи э52, э62, э72, э82 характеризуются разбалансом амплитуд не более 0.8 дБ.
-70-
dB(S(3,2))e~e--G--e>"© dB(S(4,2))
"Г
dB(S(6,2)) -I !\/ dB(S(7,2))
1.2 1.3
I | м I I I I I' I . I . I . I I
0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 1.0 1.1 Частота, ГГц
Рис. 6. Амплитудно-частотные характеристики матричной схемы при возбуждении со стороны порта 2
При возбуждении матричной схемы со стороны порта 1 фазовая ошибка между соседними выходными портами в частотном диапазоне 0.91 - 0.95 ГГц составляет не более 2.5° (рис. 7, а), а при возбуждении со стороны порта 2 — не более 5° (рис. 7, б).
5040-
phase(S(5,1 ))-phase(S(7,1)) -phase(S(7,1 ))-phase(S(6,1)) -phase(S(6,1 ))-phase(S(8,1)) -
0.7 0.8 0.9 1.0 Частота, ГГц а
210 190—I
§,130-4Kb 9070 50
} 1
J
L_ !
phase(S(5,2)) phase(S(7,2)) \ -phase(S(7,; -phase(S(6,: -phase(S(8,: iw
21) - - -
phase(S(6,2)) 2))-
0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 1.0 1.1 1.2 1.3
Частота, ГГц
б
Рис.7. Частотные зависимости сдвига фаз между ближайшими выходными портами матрицы Батлера при её возбуждении со стороны портов 1 (а) и 2 (б)
Следует признать, что, к сожалению, разность фаз между соседними выходными портами несколько отличается от идеализированных значений. Фазовый разбаланс, очевидно, обусловлен реалистичными характеристиками фазовращателей и направленных ответвителей.
Таким образом, предложена и исследована топология микрополосковой четырёхлучевой матрицы Батлера, выполненной на основе малогабаритных двухшлейфных направленных ответвителей оригинальной топологии и не содержащей кроссоверов. Отсутствие кроссоверов и использование отрезков искусственных длинных линий для реализации направленных ответвителей позволило обеспечить сравнительно малые потери в схеме, а также относительно малые габариты и площадь, занимаемую матричной схемой на диэлектрической подложке. Габаритные размеры ДОС составляют 94.1x74.6 мм2. Предложенная матричная схема обладает более чем удовлетворительными электрическими характеристиками и может быть использована для управления ДН фазированных антенных решёток в системах связи УВЧ.
Литература
1. Хансен, Р. С. Фазированные антенные решетки [Текст] / Р. С. Хансен; пер. с англ. под ред. А. И. Синани. — М.: Техносфера, 2012. — 558 с.
2. Development of an adaptive and a switched beam smart antenna system for wireless communications [Text] / F. E. Fakoukakis, S. G. Diamantis, A. P. Orfanides, G. A. Kyr-iacou // Journal of Electromagnetic Waves and Applications. — 2006. — vol. 20, iss. 3. — pp. 399-408.
3. Neron, J.-S. Microstrip EHF Butler Matrix Design and Realization [Text] / J.-S. Neron, Gilles-Y. Delisle // ETRI Journal. — 2005. — vol. 27, iss. 6. — pp. 788-797.
4. A new ultra-wideband beamforming for wireless communications in underground mines [Text] / M. Nedil, T. A. Denidni, A. Djaiz, M. A. Habib // Progress In Electromagnetics Research M. — 2008. — vol. 4. — pp. 1-21.
5. Следков, В. А. Широкополосные матрицы Батлера диапазона 4 - 8 ГГц [Текст] / В. А. Следков, Л. А. Обреза-нова, М. Б. Мануилов // Электромагнитные волны и электронные системы. — 2009. — № 6. — С. 73-78.
6. Munina, I. Design of 0-dB reconfigurable directional coupler using metamaterial structure [Text] / I. Munina, I. Vendik, V Crnojevic-Bengin // Proc. 7th International Congress on electromagnetic materials in microwaves and optics. — Bordeaux: IEEE, 2013. — pp. 139-141.
7. Щетинин, Н. Н. Двухдиапазонный микрополоско-вый направленный ответвитель с двумя типами направленности [Текст] / Н. Н. Щетинин, А. В. Останков, Е. И. Воробьева // Вестник Воронежского государственного технического университета. — 2014. — Т. 10, № 4. — С. 86-87.
8. Wincza, K. Two-section asymmetric coupled-line impedance transforming directional couplers [Text] / K. Wincza, I. Piekarz, S. Gruszczynski // IET Microwaves, Antennas & Propagation. — 2015. — vol. 9, iss. 4. — pp. 343-350.
9. Щетинин, Н. Н. Математическая модель для проектирования микрополоскового направленного ответвите-ля на квазисосредоточенных элементах [Текст] / Н. Н. Щетинин, А. В. Останков, Е. И. Воробьева // Вестник Воронежского государственного технического университета. — 2014. — Т. 10, № 3-1. — С. 66-70.
10. Miniaturized planar branch-line coupler with asymmetrical п-shaped structure [Text] / D. Dasgupta, B. Sarkar, M. Pal, R. Ghatak // Proc. National Conference on communications. — New Delhi, India: IEEE, 2013. — pp. 1-4.
11. Design, fabrication and test of a broadband high directivity directional coupler [Text] / S. M. Mousavi, S. A. Mirtaheri, M. A. Khosravani-Moghaddam and etc. // Proc. 23rd Iranian Conference on electrical engineering. — Tehran: IEEE, 2015. — pp. 168-170.
12. Ha, J. Miniaturized quasi-asymmetric forward-wave coupled-line coupler with arbitrary coupling level [Text] / J. Ha, Y Lee // Proc. International Microwave Symposium. — Seattle, WA: IEEE, 2013. — pp. 1-3.
13. Останков, А. В. Микрополосковый направленный ответвитель, выполненный на основе отрезков искусственных длинных линий [Текст] / А. В. Останков, Н. Н. Щетинин // Современная наука: актуальные проблемы теории и практики. Сер.: Естественные и технические науки. — 2016. — № 1. — С. 23-25.
14. Hayashi, H. Four-element planar butler matrix using half-wavelength open stubs [Text] / H. Hayashi, D. A. Hitko, C. G. Sodini // IEEE Microwave and Wireless Components Letters. — 2002. — vol. 12, iss.3. — pp. 73-75.
15. ADS 2015.01 Product Release // Keysight Technologies. URL: http://www.keysight.com/en/pd-2486326/ads-201501?cc=US&lc=eng (дата обращения: 18.01.2016).
Воронежский государственный технический университет Воронежский институт Федеральной службы исполнения наказаний РФ
MICROSTRIP BEAMFORMING SCHEME FOR TELECOMMUNICATIONS NETWORKS
BASED MULTIBEAM ANTENNA ARRAYS
A.V. Ostankov, N.N. Shchetinin, V.A. Melnik
The paper proposes and investigates microstrip implementation of a four-beam Butler matrix on the basis of electrodynamics simulation. The matrix circuit is formed using directional couplers of original topology and it does not contain crossovers. The absence of crossovers and the use of segments of artificial long lines for implementation of directional couplers made it possible to ensure relatively small losses in a matrix pattern, and relatively small size and footprint of a diagram on the dielectric substrate. The proposed matrix circuit has more than satisfactory electrical characteristics and it is intended for supply of phased array antennas in the ultrahigh frequency communication systems
Key words: antenna array, beamforming scheme, Butler matrix, directional couplers, amplitude-frequency characteristic
