CC BY
84
Радиотехника и связь
DOI 10.25987/VSTU.2020.16.4.008 УДК 621.396
МОДЕЛИРОВАНИЕ ЛИНЕЙНОЙ АНТЕННОЙ РЕШЕТКИ ДЛЯ СПУТНИКОВОЙ СВЯЗИ СОВРЕМЕННЫХ ТЕЛЕКОММУНИКАЦИОННЫХ СИСТЕМ
С.А. Антипов1, В.Н. Кострова1, П.В. Николаев1, Ю.Г. Пастернак1,2,3, К.А. Разинкин1, В.И. Чугуевский1
воронежский государственный технический университет, г. Воронеж, Россия 2Военный учебно-научный центр Военно-воздушных сил «Военно-воздушная академия им. профессора Н.Е. Жуковского и Ю.А. Гагарина», г. Воронеж, Россия 3АО «ИРКОС», г. Москва, Россия
Аннотация: исследуется электродинамическая модель линейной антенной решетки из планарных прямоугольных спиралей для спутниковой связи. Исходя из заданных технических требований был произведен расчёт антенной решетки и проведено численное моделирование с применением метода конечного интегрирования, предложенного Т. Вейландом. Применено Дольф-Чебышевское распределение для снижения уровня боковых лепестков. Моделирование проводилось в программе автоматизированного моделирования CST MW Studio. В качестве излучающего элемента линейной антенной решетки была использована двухплечевая планарная спираль с волноводным питанием, выполненная на материале Rogers 3003 с толщиной 3,04 мм и эффективностью диэлектрической проницаемости £ = 3. Приведены внешний вид излучателя, топология волноводного делителя и электродинамическая модель фазированной антенной решетки и её вид сбоку. Приведены результаты численного моделирования основных параметров антенной решетки. Проведены оценка параметров при заданных технических требованиях, сравнительный анализ диаграмм направленности при амплитудных распределениях с пониженным уровнем боковых лепестков и представлены результаты в виде графиков. Обсуждаются конструктивные особенности построения фазированной антенной решетки, а также способы снижения боковых лепестков путем реализации различных амплитудно-фазовых распределений
Ключевые слова: линейная антенная решетка, спутниковая связь, синтез
Введение
В настоящее время стремительно развиваются технологии беспроводной связи. Подходит к завершению разработка стандарта пятого поколения связи 1МТ-2020 (5G) [1]. В ряде крупных городов уже развернуты сети беспроводной связи, отвечающие современным требованиям. Одним из главных требований к современным телекоммуникационным системам является обеспечение устойчивой связи в труднодоступных районах. В первую очередь труднодоступные районы связаны с географическими факторами: удаленность, рельеф местности и т.п., однако и в современных городах существует задача увеличения качества покрытия в местах плотной городской застройки. Такие задачи, главным образом, призвана решить спутниковая связь [2]. Для уверенного приема спутниковых сигналов требуются антенны с большим коэффициентом усиления и низкой шумовой температурой. По-
© Антипов С.А., Кострова В.Н., Николаев П.В., Пастернак Ю.Г., Разинкин К.А., Чугуевский В.И., 2020
этому наиболее распространенными антеннами для спутниковой связи являются зеркальные антенны. Зеркальные антенны, как правило, имеют высокий коэффициент усиления и низкий уровень боковых лепестков. Однако зеркальные антенны не всегда пригодны из-за внушительных массогабаритных характеристик. Другим возможным решением при построении спутниковых антенных систем является использование фазированных антенных решеток (ФАР).
Передовые разработки в антенной технике позволяют создавать компактные, облегченные и относительно недорогие антенны. В первую очередь это антенны, выполненные по микрополосковой технологии. Современное развитие материалов диэлектрических подложек и совершенство технологии изготовления позволяют массово производить недорогие антенны с хорошими рабочими характеристиками [3-7]. На основе таких антенн с высокой повторяемостью параметров можно строить более сложные антенные решетки.
В данной статье приводятся результаты численного моделирования планарной линей-
ной решетки, состоящей из спиральных излучателей. С помощью математического моделирования проведен анализ возможных амплитудно-фазовых распределений (АФР) для снижения уровня боковых лепестков (УБЛ).
Электродинамическая модель линейной антенной решетки
Расчет антенной решетки проводился на основе технических требований, представленных в таблице. Численное моделирование проводилось с использованием метода конечного интегрирования, предложенного Т. Вейландом в 1977 г. [8], реализованном в большинстве современных программ автоматизированного проектирования, таких как CST MW Studio, Ansoft HFSS и т.д.
Технические требования [13]
на рис. 1а. Коэффициент отражения по входу излучателя приведен на рис. 1б.
Наименование параметра Значение параметра
Диапазон частот 10,95-11,7 ГГц
Коэффициент усиления > 20 дБ
Поляризация правая круговая
КСВН по входу АР < 2
УБЛ < -13 дБ
ШДН в ГП по уровню - 3 дБ < 2°
ШДН в ВП по уровню - 3 дБ < 80°
Анализируя представленные требования, можно отметить те, которые непосредственно влияют на выбор элементарного излучателя. К таким требованиям отнесем полосу частот, поляризацию и ширину диаграммы направленности в вертикальной плоскости. Одним из самых подходящих типов антенн в данном случае является спиральная антенна. Так, в качестве излучающего элемента линейной АР решено было использовать двухплечевую пла-нарную спираль с волноводным питанием. Излучатель выполнен на материале Rogers 3003, толщина которого 3,04 мм и эффективность диэлектрической проницаемости £=3. Площадь излучателя составила 6,5x6,5 мм. Конструкция и проектирование излучателя описаны в [9]. Внешний вид излучателя представлен
а)
S-Parameter [Magnitude in <ß]
10.9 И 11.2 11.4 11.6 11.8 12 12.2 12.4 12.6 12.9
Frequency / GHz
6)
Рис. 1. Спиральный излучатель: а) внешний вид; б) коэффициент отражения
Коэффициент отражения по входу излучателя не превышает минус 15 дБ во всей полосе рабочих частот. Коэффициент усиления составляет от 5,6 до 6 дБ. Ширина ДН по углу места составляет 82°. Качество приема и передачи антенной волн круговой поляризации можно оценить, вычислив коэффициент эллиптичности (axial ratio). Его можно рассчитать при помощи поляризационного эллипса, который описывает конец вектора E электромагнитной волны на плоскости за один оборот [13]. Коэффициент эллиптичности можно вычислить по следующей формуле (1):
AR =
|£1|2 + |£2|2 + |£12+£22| |£1|2 + |£2|2 + |£12+£¡|'
(1)
где вектор |£'1| - большая ось поляризационного эллипса; а вектор |£"21 - малая ось поляризационного эллипса.
AR=1 (0 Дб) соответствует круговой поляризация, а - линейной поляризации. Расчетные графики коэффициента эллиптичности приведены на рис. 2.
Рис. 2. Коэффициент эллиптичности: а) частота 10,95 ГГц; б) частота 11,7 ГГц
Из представленных графиков наглядно, что коэффициент эллиптичности не превышает 2 дБ, что является хорошим результатом и соответствует круговой поляризации.
Далее была смоделирована линейная антенная решетка, состоящая из 32-х спиральных излучателей с синфазным возбуждением. Внешний вид решетки представлен на рис. 3. Диаграммы направленности при равномерном амплитудно-фазовом распределении, полученные в результате математического и численного моделирования, совпадают с высокой степенью точности, что свидетельствует о корректно построенной модели. Соответствующие графики приведены на рис. 4. Для возбуждения такой антенной решетки разработан равноамплитудный волноводный делитель мощности с коэффициентом деления 1:32. Делитель изготовлен из СВЧ-ламината марки Rogers Ro3003. Потери в любом из каналов делителя не превышают 2 дБ. Топология делителя показана на рис. 5.
Рис. 3. Электродинамическая модель АР
I- •
■во -40 -W -ЗВ
20 К <0 00
а)
FarfiekJ (Airay) Gan Right Pctetm (PH=C)
farfiekJ (f-il.7) [1(1)]
Frequency = 11.7 Man lobe magnitude = 22.6 d Man bbe drecfon = 180.0 de -60 -40 -20 0 20 40 60 90 Angular mdth (3 <fi) = 1.9 c Tteta/Degee: Side lobe level = -13.4 <B
6)
Рис. 4. ДН на частоте 11,7 ГГц: а) математическое; б) численное моделирование
Рис. 5. Топология волноводного делителя
Полученные параметры решетки для частоты 10,95 ГГц составили: коэффициент усиления 22,2 дБ, ширина ДН по азимуту 2°, по углу места 80,9°, УБЛ по азимуту равен минус 14,2 дБ, по углу места равен минус 14,6 дБ. Для частоты 11,7 ГГц, соответственно: коэффициент усиления 22,6 дБ, ширина ДН по азимуту 1,9°, ширина ДН по УМ 79,7°, УБЛ по азимуту равен минус 13,4 дБ, УБЛ по углу места равен минус 14,5 дБ. Как видно из полученных результатов, разработанная модель антенной решетки удовлетворяет техническим требованиям. Однако для успешного применения на практике целесообразно рассмотреть АФР с пониженным УБЛ.
Амплитудные распределения с пониженным уровнем боковых лепестков
Линейные АР с равномерным распределением зачастую не пригодны для практических применений ввиду высокого уровня боковых
лепестков [10]. Снижение УБЛ это одна из важных задач антенной техники, которая позволяет повысить разрешающую способность, точность пеленгования, электромагнитную совместимость, помехозащищенность [13]. В работе [11] сформулированы общие правила для ДН с низким УБЛ. Основным инструментом снижения УБЛ является реализация различного амплитудно-фазового распределения в антенной решетке.
Дольф-Чебышевское распределение относится к одним из таких распределений, с помощью которого можно при заданной ширине ДН уменьшить УБЛ, и, наоборот, при заданном УБЛ уменьшить ширину ДН.
ДН при Дольф-Чебышевском распределении можно записать как [12] (2):
= 2^=1 Апехр {] [(2п - N - 1) (2)
Через сумму полиномов Чебышева находятся коэффициенты возбуждения (3):
со*((2п-1)^)]. (3)
На рис. 6 а, б приведены рассчитанные ДН для линейной АР, которая из 32-х излучателей. При Дольф-Чебышевском распределении АР возбуждается, при этом УБЛ равны -25 и -30 дБ [13].
Рис. 6. График ДН для линейной АР при распределении Дольф-Чебышева: а) при УБЛ -25 дБ; б) при УБЛ -30 дБ
АР на частоте 10,95 ГГц при УБЛ -30 дБ обладает следующими параметрами: ШДН
2,5°, а КНД 22 дБ. На частоте АР равной 11,7 ГГц параметры: ШДН 2,3°, КНД 22,3 дБ. Стоит отметить, что невозможность применения Дольф-Чебышевского распределения в сканирующих ФАР является его основным недостатком, т.к. оптимальное АФР можно найти только для одного положения ДН. Рассмотрим еще одно эффективное распределение - п-параметрическое распределение Тейлора. Амплитудное п-распределение Тейлора позволяет добиться большего коэффициента использования поверхности (КИП) с сохранением спадающих к краям дальних лепестков, если изменить положения нескольких ближних нулей. На рис. 7 а, б приведены расчетные ДН при распределении Тейлора разной степени [13].
Как видно из представленных графиков, при уменьшении уровня первых боковых лепестков происходит расширение основного луча. Таким образом, реализовав одно из рассмотренных распределений, можно существенно снизить УБЛ до значений -20 дБ и менее.
Гл\
; V -
ч 'Г\ г\ ¡У- \ j
*ч1' ~Л/ W
k
1 "II 1
1
п=2 п=4
---п=6
п=В
10 12 14 16 18 20
Phi (deg)
а)
' у
Г4 f* v /-
\f \r \ у
К ' Ml M ,—ч
■
it MJ 1!
11 i J
---- 11=2
-n=4
---п=в
-п=8
О 2 4 6 S 10 12 14 16 1S 20 Phi (deg)
б)
Рис. 7. Графики ДН при распределении Тейлора n-степени: а) на частоте 10,95 ГГц; б) - 11,7 ГГц
Разработанная линейная решетка может использоваться в составе более сложных фазированных антенных решеток. Например, на рис. 8 представлен внешний вид такой ФАР, состоящей из описанных выше линейных антенн.
\\\\\\\\\\\\
Рис. 8. Фазированная антенная решетка (вид сбоку)
Синфазная ФАР (32 х 32) элементов с размерами (672 х 672) мм2 будет характеризоваться коэффициентом усиления 35 дБ с учетом потерь 2 дБ в делителе мощности каждой линейной АР 1:32.
Заключение
В результате работы построена электродинамическая модель компактной линейной АР, возбуждаемой волноводным делителем мощности, для спутниковой связи в современных телекоммуникационных системах. Используя численное моделирование, рассчитаны основные параметры решетки. С помощью математического моделирования проведен сравнительный анализ диаграмм направленности при амплитудных распределениях с пониженным уровнем боковых лепестков. Предложен вариант реализации фазированной антенной решетки на основе исследуемой линейной антенной решетки. ФАР характеризуется высоким коэффициентом усиления и небольшими массогабаритными характеристиками.
Литература
1. Fei Hu. Opportunities in 5 G Networks: A research and Development Perspective. CRC Press, New York, 2016. 539 p.
2. Maral G., Bousquet M., Sun Z. Satellite Communications System: System, Techniques and Technology. John Wiley & Sons, 2020. 792 p.
3. Chaudhary P., Kumar A., Yadav A. Pattern diversity MIMO 4G and 5G Wideband Circularly Polarized Antenna with Integrated LTE Band for Mobile Handset // Progress In Electromagnetics Research M. 2020. Vol. 89. Р. 111-120
4. Garcia-Marin E., Masa Campos J.L., Sanchez-Olivares P. Planar Array Topologies for 5G Communications in Ku Band // IEEE Transactions on Antennas and Propagation. 2019. № 61(2). Р. 112-133.
5. Zhu S., Liu H., Wen P. A new method for achieving miniaturization and gain enhancement of vivaldi antenna array based on anisotropic metasurface // IEEE Transactions on Antennas and Propagation. 2019. № 67(3). Р. 112-133.
6. 5G millimeterwave antenna array: design and challenges / J. Zhang, X.H. Ge, Q. Li, M. Guizani and Y.X. Zhang // IEEE Wireless Communications. 2017. Vol. 24. No 2. pp. 106-112.
7. Kumar G., Kumar R. A survey on planar ultrawideband antennas with band notch characteristics: Principle, design, and applications // International Journal of Electronics and Communications. 2019. Vol. 109. pp. 76-98
8. Weiland T. A discretization method for the solution of Maxwell's equations for six-component fields // Electronics and Communication. 1977. V. 31. PP. 116-120.
9. Чугуевский В.И., Пастернак Ю.Г., Федоров С.М. Широкополосный планарный излучатель с волноводным питанием для антенных решеток систем спутниковой связи информационных сетей стандарта 5G // Вестник Воронежского института МВД России. 2018. № 1. С. 73-77.
10. Сазонов Д.М. Антенны и устройства СВЧ. М.: Выс. шк., 1988. 432 с.
11. Taylor T.T. One-Parametr Familyof Line Sources Producing Modified sin nu/nu Patterns, Rep. TM 324, Hughes Aircraft Co., Culver City, CA, 1953.
12. Хансен Р.С. Фазированные антенные решётки. 2-е изд. М.: «Техносфера», 2012. 560 с.
13. Чугуевский В.И. Планарные антенные решетки для телекоммуникационных систем связи: дисс. ... канд. техн. наук. Воронежский государственный технический университет. Воронеж, 2019.
Поступила 18.06.2020; принята к публикации 19.08.2020 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 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
Николаев Павел Викторович - канд. техн. наук, Воронежский государственный технический университет (394026, Россия, г. Воронеж, Московский проспект, 14), тел. +7(473)246-27-00
Пастернак Юрий Геннадьевич - д-р техн. наук, профессор, Воронежский государственный технический университет (394026, Россия, г. Воронеж, Московский проспект, 14); Военный учебно-научный центр Военно-воздушных сил «Военно-воздушная академия имени профессора Н.Е. Жуковского и Ю.А. Гагарина» (398600, Россия, г. Воронеж, ул. Старых Большевиков, 54a); АО «Иркос» (129626, Россия, г. Москва, а/я 30), e-mail: pasternakyg@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
Чугуевский Виталий Игоревич - аспирант, Воронежский государственный технический университет (394026, Россия, г. Воронеж, Московский проспект, 14), тел. +7(473)246-27-00
MODELING OF A LINEAR ANTENNA ARRAY FOR SATELLITE COMMUNICATION OF MODERN TELECOMMUNICATION SYSTEMS
S.A. Antipov1, V.N. Kostrova1, P.V. Nikolaev1, Yu.G. Pasternak1,2,3, K.A. Razinkin1, V.I. Chuguevskiy1
'Voronezh State Technical University, Voronezh, Russia 2Military Scientific Educational Center of Military-Air Forces "N.E. Zhukovsky and Ju.A. Gagarin
Military-Air Academy", Voronezh, Russia 3JSC «IRCOS», Moscow, Russia
Abstract: in this paper, we study an electrodynamic model of a linear antenna array of planar rectangular spirals for satellite communications. Based on the specified technical requirements, the antenna array was calculated, and numerical modeling was performed using the finite integration method proposed by T. Weiland. Application of the Dolph-Chebyshev distribution to reduce the level of side lobes. The simulation was performed in the CST MW Studio automated simulation program. As the radiating element of the linear antenna array, a two-arm planar helix with waveguide power was used, made on a Rogers 3003 material with a thickness of 3.04 mm and a permittivity efficiency of £ = 3. The appearance of the emitter, the topology of the waveguide divider, and the electrodynamic model of the phased array and its side view are presented. The results of numerical simulation of the main parameters of the antenna array are presented. The parameters were evaluated for the specified technical requirements, a comparative analysis of directivity diagrams for amplitude distributions with a reduced level of side lobes, and the results are presented in the form of graphs. The paper discusses the design features of constructing a phased array antenna, as well as ways to reduce the side lobes by implementing various amplitude-phase distributions
Key words: linear antenna array, satellite communication, synthesis
References
1. Fei Hu "Opportunities in 5 G networks: a research and development perspective", New York, CRC Press, 2016, 539 p.
2. Maral G., Bousquet M., Sun Z. "Satellite communications system: system, techniques and technology", John Wiley & Sons, 2020, 792 p.
3. Chaudhary P., Kumar A., Yadav A. "Pattern diversity MIMO 4G and 5G wideband circularly polarized antenna with integrated LTE band for mobile handset", Progress in Electromagnetics Research M, 2020, vol. 89, pp. 111-120.
4. Garcia-Marin E., Masa Campos J.L., Sanchez-Olivares P. "Planar array topologies for 5G communications in Ku band", IEEE Transactions on Antennas and Propagation, 2019, no. 61(2), pp. 112-133.
5. Zhu S., Liu H., Wen P. "A new method for achieving miniaturization and gain enhancement of Vivaldi antenna array based on anisotropic metasurface", IEEE Transactions on Antennas and Propagation, 2019, no. 67(3), pp. 112-133.
6. Zhang J., Ge X.H., Li Q., Guizani M., Zhang Y.X. "5G millimeterwave antenna array: design and challenges", IEEE Wireless Communications, Apr. 2017, vol. 24, no. 2, pp. 106-112.
7. Kumar G., Kumar R. "A survey on planar ultra-wideband antennas with band notch characteristics: Principle, design, and applications", International Journal of Electronics and Communications, September 2019, vol. 109, pp. 76-98.
8. Weiland T. "A discretization method for the solution of Maxwell's equations for six-component fields", Electronics and Communication, 1977, vol. 31, pp. 116-120.
9. Chuguevskiy V.I., Pasternak Yu.G., Fedorov S.M. "Broadband planar radiator with waveguide power for antenna arrays of satellite communications systems of information networks of 5G standard", Bulletin of Voronezh Institute of the Ministry of Internal Affairs of Russia (Vestnik Voronezhskogo institutaMVD Rossii), 2018, no. 1, pp.73-77.
10. Sazonov D.M. "Antennas and microwave devices" ("Antenny i ustroystva SVCH"), Moscow, Vysshaya shkola, 1988, 432 p.
11. Taylor T.T. "One-parameter family of line sources producing modified sin nu/nu patterns", Rep. TM 324, Hughes Aircraft Co., Culver City, CA, 1953.
12. Hansen R.S. "Phased antenna arrays" ("Fazirovannye antennye reshotki"), Moscow, Tekhnosfera, 2012, 560 p.
13. Chuguev V.I. "Planar antenna arrays for telecommunication systems" ("Planarnye antennye reshetki dlya telekommu-nikatsionnykh sistem svyazi"), Cand. of tech. sciences diss., Voronezh State Technical University, Voronezh, 2019.
Submitted 18.06.2020; revised 19.08.2020
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
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
Pavel V. Nikolaev, Cand. Sc. (Technical), Voronezh State Technical University (14 Moscovskiy prospect, Voronezh 394026, Russia), tel.: +7 (473) 246-27-00
Yuriy G. Pasternak, Dr. Sc. (Technical), Professor, Voronezh State Technical University (14 Moskovskiy prospekt, Voronezh 394026, Russia), Leading Engineer of JSC "IRCOS" (21 Zvezdnyy blvd., Moscow 129626, Russia), Senior Researcher, Military scientific educational center of Military-Air forces "N.E. Zhukovsky and Ju.A. Gagarin Military-Air academy" (54A Starykh Bol'shevikov st., Voronezh 394064, Russia), e-mail: pasternakyg@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
Vitaliy I. Chuguevskiy, Graduate student, Voronezh State Technical University (14 Moscovskiy prospect, Voronezh 394026, Russia), tel.: +7 (473)243-77-29
