46XIIIМеждународная научно-практическая конференция УДК 621.396.677.85
Сабуров Данил Михайлович Saburov Danil Mikhailovich
Студент Student
Кусайкин Дмитрий Вячеславович Kusaykin Dmitry Vyacheslavovich
К.т.н., доцент PhD in Engineering sciences, docent Денисов Дмитрий Вадимович Denisov Dmitry Vadimovich
К.т.н., доцент PhD in Engineering sciences, docent Уральский технический институт связи и информатики, Уральский
федеральный университет Ural Technical Institute of Communications and Informatics, Ural Federal University
О ЛИНЗОВЫХ МНОГОЛУЧЕВЫХ АНТЕННАХ ЛЮНЕБЕРГА МИЛЛИМЕТРОВОГО ДИАПАЗОНА ДЛЯ СИСТЕМ MIMO 5G
ABOUT LUNEBURG MULTIBEAM LENS ANTENNAS OF THE MILLIMETER WAVE FOR MIMO 5G SYSTEMS
Аннотация: Из-за увеличения объема трафика, передаваемого через беспроводные сети, были представлены новые требования по скорости передачи информации. Эти требования привели к созданию сетей пятого поколения (5G). Одной из ключевых особенностей сетей 5G стало использование миллиметрового диапазона длин волн. Для передачи в этом диапазоне используется технология MIMO. Основной задачей исследователей стала разработка наиболее энергоэффективной, простой и дешевой в производстве антенны. В качестве такого решения в данной статье рассмотрена антенна, основанная на линзе Люнеберга.
Abstract: Due to the increase in the volume of traffic transmitted through wireless networks, new requirements for the speed of information transmission were introduced. These requirements led to the creation of fifth-generation networks (5G). One of the key features of 5G networks was the use of the millimeter wavelength range. MIMO technology is used for transmission in this range. The main task of the researchers was to develop the most energy-efficient, simple and cheap antenna in production. As such a solution, this article considers an antenna based on a Luneburg lens.
Ключевые слова: 5G, massive MIMO, линзовая антенна, линза Люнеберга, миллиметровый диапазон волн.
Keywords: 5G, massive MIMO, lens antenna, Luneburg lens, millimeter wave
range.
Постоянный рост числа сервисов и услуг и, как следствие, увеличение объема передаваемого трафика привели к новым требованиям по скоростям передачи информации в сетях мобильной связи. В сетях 4 поколения (4G) добиться требуемой пропускной способности порядка 1 Гбит/с крайне проблематично главным образом из-за ограничений используемого частотного диапазона. Новое поколение сетей 5G ознаменовало работу в новом гораздо более высоком частотном диапазоне и соответственно потребность в развитии оборудования сотовой связи для миллиметрового диапазона длин волн, что в свою очередь привело к необходимости проведения множества исследований в этой области.
Помимо использования более высокочастотного диапазона сети 5G отличаются от предшествующих поколений сетей набором технологий. Так, например, технология CDMA, используемая в сетях 4G, уже не удовлетворяет всем требованиям сетей 5G и поэтому была вытеснена технологией множественного доступа с пространственным разделением SDMA [1]. Кроме того, одной из неотъемлемых частей эффективной системы передачи сигналов миллиметрового диапазона длин волн является технология формирования адаптивной диаграммы направленности антенной системой (beamforming) [2], что позволяет направлять радиоизлучение к конкретному пользователю, тем самым повышая значение SINR (отношение сигнал/шум/помеха). Формирование адаптивной диаграммы направленности также повышает уровень сигнала за счет фокусировки излучаемой мощности, и обеспечивает более стабильные условия канала за счет уменьшения многолучевых компонент [3].
71
XIIIМеждународная научно-практическая конференция Формирование адаптивной диаграммы направленности антенной
системой крайне необходимо при передаче миллиметровых радиоволн
в условиях сложной городской застройки. Благодаря тому, что антенны
в сетях 5G стали менее габаритны, операторы связи могут размещать
их на зданиях и на различных городских конструкциях (фонарных
столбах, светофорах и т.д.). Для более эффективного формирования
луча в сетях 5G предполагается использование massive MIMO [4].
Системы massive MIMO в свою очередь имеют ряд проблем,
например требуют очень большого числа антенн. С увеличением числа
передатчиков, число антенн растет еще в большей степени.
Уменьшение количества антенн на один передатчик не решает
проблему, так как это приводит к более широкой диаграмме
направленности.
Недавние исследования [5] показали, что системы massive MIMO
являются крайне энергозатратными. В [4] приводятся данные, согласно
которым, 8-битные АЦП с тактовой частотой в несколько ГГц требуют
около 4 ватт для питания. Для антенной системы из 128 элементов
только для питания АЦП требуется примерно 0,5 кВт. Тепловыделение
такой системы является колоссальным, что требует установки мощной
системы охлаждения. В результате вся система massive MIMO
становится дорогостоящей, а также потребляет огромное количество
энергии. Исходя из этого можно отметить, что разработка
альтернативы многолучевым антенным системам на основе
фазированных решеток является актуальной задачей. Одним из
решений является использование линзовых антенн.
Немалую популярность среди линзовых антенн имеет линза
Люнеберга (ЛЛ). Данная антенна основывается на законе, открытом
немецким математиком Р.К. Люнебергом. Согласно этому закону,
лучи, прошедшие из одной точки через объемную сферу, образуют
«Инновационные аспекты развития науки и техники» плоский фронт волны. На рисунке 1 показана линза Люнеберга с несколькими облучателями.
Апкув
г
О 50 100 (тт)
Рис. 1. Линза Люнеберга с несколькими облучателями
Если же волна падает из дальней зоны, происходит обратный эффект - лучи фокусируются в одной точке, тем самым, волна может попасть в облучатель [6]. Конструкция антенны, основанная на ЛЛ, имеет ряд довольно серьезных преимуществ:
сканирование может осуществляться в широком диапазоне углов, что позволяет использовать меньшее количество антенн для обеспечения большего покрытия;
вместе с одной линзой может работать сразу несколько облучателей, благодаря чему создаются несколько независимых диаграмм направленности для одной антенны [7].
Исходя из вышеперечисленных преимуществ можно сделать вывод, что ЛЛ может служить отличным решением в задаче
XIIIМеждународная научно-практическая конференция формирования адаптивной диаграммы направленности антенной
системой вслед за перемещающимся абонентом мобильной сети.
Диаметр линзы в случае миллиметрового диапазона длин может
составлять порядка 15-20 см. Это позволит производить установку
таких антенн практически на любом городском сооружении или
конструкции. Благодаря хорошей аэродинамике, сферические антенны
могут быть установлены на движущиеся объекты, например, на
автомобили, поезда или беспилотные летательные аппараты [7]. Кроме
того, с точки зрения энергоэффективности многолучевые линзовые
антенны являются одним из наиболее перспективных решений для
систем 5G.
Проведем далее анализ разработок и исследований применения ЛЛ в многолучевом режиме работы для радиосистем миллиметрового диапазона длин волн. В [8] представлена изготовленная на 3D принтере линза Люнеберга с новой упрощенной геометрией для миллиметрового диапазона длин волн. В качестве элементарных ячеек материала линзы с градиентным индексом преломления для реализации требуемого распределения диэлектрической проницаемости используются стержневые структуры. При данной реализации возможно реализовать девять стабильных лучей излучения в секторе ±61°. Антенна имеет коэффициент усиления до 21,2 дБи и эффективность излучения около 75%. Благодаря преимуществам хороших эксплуатационных характеристик, низким затратам на изготовление и простоте интеграции предлагаемая многолучевая линзовая антенна Люнебурга может стать перспективным кандидатом для приложений MIMO 5G в диапазонах 28 и 38 ГГц.
Рис. 2. Прототип сферической линзовой антенны [8]
В [9] описана идея разработки и конструкция ЭБ-печатной линзы Люнеберга для многолучевого режима на частоте 26 ГГц. Контроль эффективной диэлектрической проницаемости каждой элементарной ячейки ЭБ-печати линзы осуществляется путем регулировки размера ядра, расположенного в центре ячейки. Расчет эффективной диэлектрической проницаемости был подтвержден экспериментами. Представлены результаты компьютерного моделирования диаграммы направленности линзы на частоте 26 ГГц.
Однако, на пользовательских устройствах, таких как смартфоны, сферические антенны не могут быть установлены ввиду своей громоздкости. В качестве возможного решения этой проблемы предлагается использовать плоские линзовые антенны. Принцип работы плоских антенн на основе линзы Люнеберга описан в [10]. Согласно материалам исследований, такие линзы преимущественно состоят из связанных плоских волноводов. Плоские волноводы с данном случае состоят из импедансных пленок, благодаря чему выполняются законы изменения эффективной диэлектрической проницаемости, что в свою очередь обеспечивает преобразование волны облучателя в плоскую волну на выходе линзы. Также
XIIIМеждународная научно-практическая конференция рассматривается возможность создания линзовых антенн с
использованием метаматериалов. В [11] приводится теоретическое
обоснование использования метаматериалов в качестве диэлектрика в
линзе. На рисунке 3 представлена плоская линзовая антенна,
разработанная в Национальном университете Сингапура.
I
Рис. 3. Плоская линзовая антенна, спроектированная с использованием метаматериалов [11]
Для получения более широкого угла сканирования в системах связи миллиметрового диапазона была предложена архитектура линзы Люнеберга, представленная на рисунке 4. Данная архитектура основана на градиентных GRIN (gradient-index) метаматериалах, расположенных подобно слоям в печатной плате. Такая конструкция позволяет добиться угла сканирования в ±54°, с потерями в 0,7 дБ для поперечной электрической поляризации и 2,2 дБ для поперечной магнитной поляризации на частоте 10 ГГц [11].
Рис. 4. Архитектура плоской ЛЛ с широким углом сканирования в миллиметровом диапазоне [11]
В китайском университете электронных наук и технологий на основе двумерной ЛЛ была разработана антенна из 6 диэлектрических материалов с разными коэффициентами диэлектрической проницаемости (от 1,8 до 9) [11]. Линза располагается между двумя слоями металла, отдельные слои линзы оптимизированы с использованием теории трансформационной оптики. В качестве облучателей используются Е-образные патч-антенны толщиной 0,508 мм. Плоскость поляризации антенны определяется осью Z. Толщина линзы, расположенной между металлическими пластинами, составляет менее половины длины волны, что обеспечивает распространение только поперечно-поляризованных электрических волн. Конструкция такой линзы представлена на рисунке 5. На основе этой конструкции был создан прототип линзы, который был напечатан на 3В-принтере. В [12] приведены подробные результаты измерений созданного прототипа. Эффективный диапазон сканирования такой антенны ограничен сектором в -50°~48°. В таком секторе антенна может
XIIIМеждународная научно-практическая конференция формировать до 15 лучей, с максимальным уровнем усиления в 14.1
дБи на частоте 28 ГГц [12].
Рис. 5. Конструкция плоской антенны на основе ЛЛ [12]
Заключение.
В системах 5G решающее значение имеют энергоэкономичность и эффективность адаптивного многолучевого режима работы антенной системы. Распространенные антенные системы massive MIMO, состоящие из фазированных решеток, хотя и удовлетворяют потребностям в плане многолучевого режима работы, являются крайне неэффективными с точки зрения потребления энергии. Это обстоятельство делает их дорогостоящими в эксплуатации. Альтернативой таким антеннам могут стать линзовые антенны Люнеберга.
1. Ali, E., Ismail, M., Nordin, R. et al. Beamforming techniques for massive MIMO systems in 5G: overview, classification, and trends for future research. Frontiers Inf Technol Electronic Eng 18, 753-772 (2017). https://doi.org/10.1631/FITEE.1601817
Двумерная линза Люнеберга
J"lv4H 1-15
Библиографический список:
2. R. H. Roy, "Spatial division multiple access technology and its application to wireless communication systems," 1997 IEEE 47th Vehicular Technology Conference. Technology in Motion, 1997, pp. 730-734 vol.2, DOI: 10.1109/VETEC. 1997.600425.
3. Eric J. Black. Holographic Beam Forming and MIMO [Электронный ресурс] - Режим доступа: https://pivotalc ommware.com/wp-content/loads/2017/12/Holographic-Beamforming-WP-v.6C-FINAL.pdf
4. Massive MIMO Systems for 5G and beyond Networks—Overview, Recent Trends, Challenges, and Future Research Direction [Электронный ресурс] - Режим доступа: https://www.mdpi.com/1424-8220/2 0/10/2753/htm
5. Zhitao Xiao, Jincan Zhao, Tianle Liu, Lei Geng, Fang Zhang, Jun Tong. On the Energy Efficiency of Massive MIMO Systems with Low-Resolution ADCs and Lattice Reduction Aided Detectors, 2020.
6. Высоконаправленные линзовые антенны Люнеберга [Электронный ресурс] - Режим доступа: https://nag.ru/material/28514
7. Линза Люнеберга в Ansys HFSS [Электронный ресурс] - Режим доступа: https://cae-club.ru/publications/linza-lyuneberga-v-ansys-hfss
8. Li, Y., Ge, L., Chen, M., Zhang, Z., Li, Z., & Wang, J. Multi-Beam 3D Printed Luneburg Lens Fed by Magneto-Electric Dipole Antennas for Millimeter-Wave MIMO Applications. IEEE Transactions on Antennas and Propagation, 1-1. doi:10.1109/tap.2019.2899013, 2019.
9. P. Ratajczak, "Design of a 3D Printed Luneburg Lens Antenna for Multiple Beams Applications at mm-wave Frequencies," 2019 13th European Conference on Antennas and Propagation (EuCAP), 2019, pp. 14.
10. Банков С.Е. Двухслойная планарная линза Люнеберга. «Журнал Радиоэлектроники» №12, 2012
XIIIМеждународная научно-практическая конференция
11. Z. N. Chen, T. Li and W. E. I. Liu, "Microwave Metasurface-based Lens Antennas for 5G and Beyond," 2020 14th European Conference on Antennas and Propagation (EuCAP), 2020, pp. 1-4, doi: 10.23919/EuCAP48036.2020.9135285.
12. K. Liu, S. Yang, S. Qu, Y. Chen and J. Hu, "2-D Wide-Scanning Flat Luneburg Lens Antenna for 5G Communication," 2020 14th European Conference on Antennas and Propagation (EuCAP), 2020, pp. 1-2, doi: 10.23919/EuCAP48036.2020.9135942.
