CC BY
7i-methods
ВОЕННЫЕ НАУКИ
том 12. № 4. 2020 http://intech-spb.com/i-methods/
Повышение пропускной способности беспроводных линий связи на основе применения микрополосковых антенн технологии MIMO 2x2
Чуян Виктория Александровна
инженер проектировщик Отраслевого центра мониторинга и развития в сфере инфокоммуникационных технологий, г. Москва, Россия, viktoriaprokofeva471@gmail.com
Кожанова Кристина Евгеньевна
студент Московского технического университета связи и информатики, г. Москва, Россия, su7b1986@mail.ru
АННОТАЦИЯ_________________________________________________________
Идея применения разнесения для борьбы с замираниями заключается в совместном использовании на приеме нескольких сигналов, несущих одну и ту же информацию, но пришедших различными путями. Последнее время проявляется тенденция роста интереса к беспроводным системам передачи информации. Поэтому встает вопрос о повышении пропускной способности, не снижающем качества предоставляемых услуг связи. Целью данной статьи является разработка микропо-лосковой антенны с использованием ортогональной поляризации, работающей на частоте 1850-1990 МГц. Преимущество проектируемого устройства заключается в малогабаритности и в высоком уровне согласования в заданной полосе частот. Представлено обоснование необходимости совершенствования антенного оборудования, работающего в диапазоне частот 1850-1990 МГц. Рассмотрены возможные варианты разработки и реализации микрополосковой антенны с использованием технологии MIMO (Multi Input Multi Output). Обоснована схема реализации антенны, проведён и представлен расчёт характеристик излучения антенны. Разработана и описана геометрия полосковой антенны прямоугольной формы и точка подключения питания для обеспечения максимального согласования. Антенна разработана в программном комплексе Altair FEKO. Антенна с использованием ортогональной поляризации, которая дает лучший результат с точки зрения возвратных потерь и взаимной связи. Разработанная и описанная антенна технологии MIMO 2x2 обеспечивает наибольшую пропускную способность в беспроводных линиях связи по сравнению с использованием других технологий. Предложены возможные размеры антенны и её применения в терминальных устройствах потребителей услуг связи.
КЛЮЧЕВЫЕ СЛОВА: MIMO (Multi Input Multi Output); микрополосковая антенна; многоканальная система; ортогональная поляризация; взаимная связь; магнитные токи; излучатель.
Введение
Последнее десятилетие характеризуется интенсивным развитием систем беспроводной связи (мобильная радиосвязь, системы беспроводного доступа к сети Интернет, компьютерные радиосети внутри зданий и др.). В каналах радиосвязи таких систем действует комплекс помех и искажений. В первую очередь необходимо учитывать влияние многолучевости, причиной которой является наличие отражений на трассе распространения радиоволн [1].
В диапазоне коротких волн действуют многократные отражения от неоднородностей ионосферы. В диапазонах метровых (дециметровых) волн сказываются отражения от зданий, неровностей рельефа (при организации связи на открытой местности), отражения от стен и конструкций (при связи внутри зданий). Сильные замирания сигнала в канале затрудняют оценку переданных сообщений и приводят к искажениям передаваемой информации.
На первых этапах развития радиосвязи единственным методом повышения помехоустойчивости передачи в каналах с замираниями считалось пространственное разнесение приемных антенн [2]. В прежние годы сфера применения разнесенного приема ограничивалась коротковолновой радиосвязью. Здесь использовались хорошо апробированные методы и техника разнесенного приема. Идея разнесенного приема была реализована в 1927 г. для организации радиотелефонной коротковолновой связи. Впервые методы статистической теории связи к разнесенному приему были применены в конце 30-х годов. Потребовалось, однако, еще 15-20 лет для разработки основных теоретических положений статистической теории разнесенного приема. Идея применения разнесения для борьбы с замираниями заключается в совместном использовании на приеме нескольких сигналов, несущих одну и ту же информацию, но пришедших различными путями. Последнее время проявляется тенденция роста интереса к беспроводным системам передачи информации. Поэтому встает вопрос о повышении пропускной способности, не снижающем качества предоставляемых услуг связи.
Целью данной статьи является разработка микрополосковой антенны с использованием ортогональной поляризации, работающей на частоте 1850-1990 МГц. Преимущество проектируемого устройства заключается в малогабаритности и в высоком уровне согласования в заданной полосе частот.
Обоснование схемы реализации антенны и предварительный расчет характеристик излучения
Исследуемая антенна представляет собой прямоугольный элемент, расположенный над экраном. Излучение такой антенны обеспечивается подключением коаксиальной линии питания. Для обеспечения процесса излучения с формированием поля линейной поляризации необходимо реализовать согласованное питание структуры в заданном диапазоне частот. Для использования антенны в составе оборудования стандарта LTE (Long-Term Evolution) необходимо обеспечить функционирование антенны в диапазоне частот (1850-1990) МГц. В этом случае средняя частота диапазона определяется из выражения
/с f max /min '
где / и / — минимальная и максимальная частоты диапазона частот.
J max J mm
Таким образом, средняя дина волны заданного диапазона составляет
= — = 0,156 м, (2)
/с
где с = 3109, м/с — скорость распространения электромагнитных колебаний в свободном пространстве.
Ширина излучателя должна быть выбрана из соотношения
_ Р, , (3)
где 81 — относительная диэлектрическая проницаемость заполнения антенны, в случае воздушного заполнения 81 =1.
Излучатель расположен на расстоянии Н от экрана. С целью формирования однонаправленной диаграммы направленности линейный размер экрана должен быть выбран не менее (1-3) X. Система питания выполнена в виде отрезка коаксиальной линии с волновым сопротивлением 50 Ом. Точка подключения коаксиальной линии выбиралась методом анализа характеристик антенны при изменении места подключения коаксиального кабеля [3].
В результате предварительного анализа, было установлено, что антенна обладает наилучшими характеристиками согласования, если точка питания стоит от центра излучателя на четверть длины диагонали излучающего элемента, как показано на рис. 1.
Рис. 1. Геометрия полосковой антенны прямоугольной формы
На рис. 2 показано распределение магнитных токов ^ и jy в эквивалентной щели, построенное исходя из картины распространения поля Ев резонаторе прямоугольной микро-полосковой антенны [4].
Рис. 2. Распределение магнитных токов в щелевом излучателе, эквивалентном микрополосковой антенне
Главную роль в формировании излучаемого поля играют равномерно распределенные синфазные токи ^ и , создающие линейно поляризованное излучение с вектором Е, параллельным оси х. Токи у™, и j™4 содержат на каждой боковой стороне пластины по два противофазных участка, излучение которых в значительной степени взаимно компенсируется (точная компенсация имеет место в плоскостях гОх и гОу) [5]. Пользуясь методикой расчета полей излучения антенн, можно получить следующее выражение для диаграммы направленности прямоугольной микрополосковой антенны:
/ (0 ф) =
cos ($)эт (ф)
sin
(и)
(4)
и = 0,5р0Ып(9)^(ф), 3 = 0,5(30Ь^(е),
где в0 =--волновое число;
X о
I — ширина элемента; Ь — длина элемента;
0 — угловое направление на точку наблюдения, отсчитываемое в угломестной плоскости; Ф — угловое направление на точку наблюдения, отсчитываемое в азимутальной плоскости.
Результаты моделирования полоскового излучателя
Для увеличения поляризационной эффективности прямоугольного излучателя было принято решение повернуть излучатель с экраном на 45° в плоскости (хОг). Точка питания была перенесена на ось Ог. Геометрия данного излучателя представлена на рис. 3.
Рис. 3. Планарный излучатель ромбической формы
Рассмотрены трехмерная диаграмма направленности прямоугольного излучателя ромбической формы (рис. 4) и диаграммы направленности прямоугольного излучателя ромбической формы при частотах 1850 МГц и 1900 МГц (рис. 5) [6].
*Т
Рис. 4. Трехмерная диаграмма направленности прямоугольного излучателя ромбической формы
а) б)
Рис. 5. Диаграмма направленности прямоугольного излучателя ромбической формы при частоте 1850 МГц (а) и 1900 МГц (б)
Диаграмма направленности прямоугольного излучателя ромбической формы (рис. 6) является слабонаправленной. Ширина диаграммы направленности в Е — плоскости составляет 59°, в Н-плоскости — 83° (рис. 7).
а) б)
Рис. 6. Диаграмма направленности прямоугольного излучателя ромбической формы при частоте 1950 МГц (а) и 1995 МГц (б)
Рис. 7. Диаграмма направленности прямоугольного излучателя ромбической формы: а) в Е - плоскости и б) в Н - плоскости
Коэффициент усиления антенны с ростом частоты увеличивается и соответственно составляет (7,8-9,7) Дб [7].
Микрополосковые антенны обладают достаточно высоким активным сопротивлением, что подтверждается результатами, показанными на рис. 8.
Однако следует отметить, что на частоте _/0=1935 МГц активное сопротивление излучателя близко к 50 Ом. Это говорит о возможности хорошего согласования с линией передачи. Реактивная составляющая входного сопротивления на средней частоте диапазона имеет минимум [8].
Сплошная линия — активная часть; пунктирная линия — реактивная часть.
На рис. 8 изображен график, характеризующий зависимость коэффициента стоячей волны излучателя от частоты. Из графика видно, что в диапазоне частот (1,91-1,98) МГц КСВ<2, следовательно, в данном диапазоне обеспечивается наилучшее согласование излучателя с линией питания [9].
а)
б)
Рис. 8. Частотная зависимость входного сопротивления излучателя (а) и частотная зависимость КСВ антенны (б)
Заключение
Проведено исследование планарного излучателя эллиптической формы. Излучатель обладает уровнем КСВ, достаточным для согласования антенны с линией питания без использования симметрирующих устройств. Входное сопротивление близко к 50 Ом [10]. Однако в Е — и Н — плоскостях антенна является слабонаправленной — ширина диаграммы направленности по уровню — 3 дБ составляет 62°. Также приведены результаты исследования прямоугольного излучателя ромбической формы. Антенна обладает хорошими характеристиками согласования в полосе частот (1,91-1,98) МГц. Ширина диаграммы направленности в Е-плоскости составляет 59°, коэффициент усиления достигает 9,7 Дб и может иметь размер 14*14*0,3 см. Антенна предназначена для использования в комплекте с сотовыми телефонами и модемами [11-20].
Литература
1. Tong L., Sadler B. M., Dong M. Pilot-assisted wireless transmissions // IEEE Signal Process. 2004. Vol.21(6). Pp.12-25.
2. Zeng Y., Tung Sang Ng. Blind MIMO Channel Estimation Method Tolerating Order Overestimation // The 8th International Conference on Communication Systems. Singapore, 25-28 November 2002. Vol. 1. Pp. 274-278.
3. MedlesA., SlockD. T. M. Semiblind channel estimation for MIMO spatial multiplexing systems // Proc. VTC2001-Fall. Oct 2001. Vol. 2. Pp. 1240-1270.
4. Coldrey M., Bohlin P. Training-Based MIMO Systems Part I: Performance Comparison // IEEE Transaction on Signal Processing, Nov 2007. Vol. 55 (11). Pp. 54-64.
5. TelatarE. Capacity of multi-antenna Gaussian channels // European Transactions on Telecommunications. 1995. Pp. 1-28.
6. Saidatul N. A., Azremi A. A. H., AhmadR. B., SohandP. J., MalekF. Multiband fractal planar inverted F antenna (F-PIFA) for mobile phone application // Progress In Electromagnetics Research (PIER). 2009. Vol. 14. Pp. 127-148.
7. Taga T. Analysis for mean efective gain of mobile antennas inland mobile radio environments // IEEE Trans. Veh. Tech. 1990. Vol. 39. No. 2. Pp. 117-131.
8. Dong L., Ling H., Heath R. W. Multiple-input multiple-output wireless communication systems using antenna pattern diversity // Proc. IEEE Global Telecommun. Conf., Taipei, Taiwan, Nov. 2002. Vol. 1. Pp. 997-1001.
9. Pedersen K., Mogensen P., Fleury B. Power azimuthspectrum in outdoor environments// Electron. Lett. 1997. Vol. 33. No. 18. Pp. 1583-1584.
10. Karaboikis M. P., Papamichael V. C., Tsachtsiris G. F., Soras C. F., Makios V. T. Integrating compact printed antennas onto small diversity/MIMO terminals // IEEE Trans. Antennas Propag. 2008. Vol. 56. No. 7. Pp. 2067-2078.
11. Мясникова А. И., Легкое К. Е. Анализ технологий высокоскоростного беспроводного широкополосного доступа // Наукоемкие технологии в космических исследованиях Земли. 2009. Т. 1. № 1. С. 34-37.
12. Мясникова А. И., Легкое К.Е. Анализ методов модуляции беспроводного широкополосного доступа // Наукоемкие технологии в космических исследованиях Земли. 2010. Т. 2. № 2. С. 35-37.
13. Легкое К. Е. Методика управления качеством информационного обмена в современных системах беспроводного широкополосного доступа специального назначения // T-Comm: Телекоммуникации и транспорт. 2010. Т. 4. № 3. С. 35-38.
14. Легкое К. Е. Подходы к развитию концепции внедрения мультимедийных систем военного назначения // Наукоемкие технологии в космических исследованиях Земли. 2011. Т. 3. № 2. С. 13-15.
15. Смирнов К.А., Легкое К. Е. К вопросу о структуре автоматизированной системы частотно-территориального планирования сетей транкинговой радиосвязи специального назначения // Труды Северо-Кавказского филиала Московского технического университета связи и информатики. 2011. № 1. С. 88-91.
16. Легкое К. Е. Стандарт IEEE802.16: управление качеством информационного обмена в системах специального назначения // Труды Северо-Кавказского филиала Московского технического университета связи и информатики. 2011. № 1. С. 66-73.
17. Легкое К. Е. Технологии беспроводного широкополосного доступа: анализ методов модуляции // Труды Северо-Кавказского филиала Московского технического университета связи и информатики. 2011. № 1. С. 184-189.
18. Бабошин В. А., Паелоеич А. А., Легкое К.Е. Особенности множественного доступа в широкополосных беспроводных сетях специального назначения // Труды Северо-Кавказского филиала Московского технического университета связи и информатики. 2011. № 1. С. 140-143.
19. Легкое К. Е. Математическое описание потоков управляющей информации в процессе управления современной инфокоммуникационной сетью специального назначения // Труды Ростовского государственного университета путей сообщения. 2014. № 3. С. 34-39.
20. Федорое А.Е., Легкое К.Е. Моделирование упреждающего и реагирующего протоколов маршрутизации в беспроводной мобильной адаптивной сети // Труды Северо-Кавказского филиала Московского технического университета связи и информатики. 2014. № 1. С. 362-365.
INCREASING THE BANDWIDTH OF WIRELESS COMMUNICATION LINES BASED ON THE USE OF MICROSTRIP ANTENNAS MIMO 2x2 TECHNOLOGY
VIKTORIA A. CHUYAN
project engineer Federal State Unitary Enterprise Center MIR IT, Moscow, Russia, viktoriaprokofeva471@gmail.com
CHRISTINA E. KOZHANOVA
student of the Moscow Technical University of Communications and Informatics, Moscow, Russia, su7b1986@mail.ru
ABSTRACT
The idea of using diversity to combat fading is to share several signals at the reception that carry the same information, but come in different ways. Recently, there has been a growing trend of interest in wireless information transmission systems. Therefore, there is a question of increasing the bandwidth that does not reduce the quality of communication services provided. The purpose of this article is to develop a microstrip antenna using orthogonal polarization operating at a frequency of 1850-1990 MHz. The advantage of the designed device is its small size and high level of matching in a given frequency band. The justification of the need to improve the antenna equipment operating in the frequency range 1850-1990 MHz is presented. Possible options for the development and implementation of a microstrip antenna using MIMO (Multi Input Multi Output) technology are considered. The scheme of implementation of the antenna is justified, the calculation of the radiation characteristics of the antenna is carried out and presented. The geometry of the rectangular strip antenna and the power connection point are developed and described to ensure maximum matching. The antenna is developed in the Altair FEKO software package. Antenna using orthogonal polarization, which gives the best result in terms of return loss and mutual communication. The developed and described MIMO 2x2 antenna technology provides the highest bandwidth in wireless communication lines compared to the use of other technologies. The possible dimensions of the antenna and its application in terminal devices of consumers of communication services are proposed.
Keywords: MIMO (Multi Input Multi Output); microstrip antenna; multi-channel system; orthogonal polarization; mutual communication; magnetic currents; emitter.
REFERENCES
1. Tong L., Sadler B. M., Dong M. Pilot-assisted wireless transmissions. IEEE Signal Process. 2004. Vol.21(6). Pp.12-25.
2. Zeng Y., Tung Sang Ng. Blind MIMO Channel Estimation Method Tolerating Order Overestimation. The 8th International Conference on Communication Systems, Singapore, 25-28 November 2002. Vol. 1. Pp. 274-278.
3. Medles A., Slock D. T. M. Semiblind channel estimation for MIMO spatial multiplexing systems. Proc. VTC2001-Fall. Oct 2001. Vol. 2. Pp. 1240-1270.
4. Coldrey M., Bohlin P. Training-Based MIMO Systems Part I: Performance Comparison. IEEE Transaction on Signal Processing, Nov 2007. Vol. 55 (11). Pp. 54-64.
5. Telatar E. Capacity of multi-antenna Gaussian channels. European Transactions on Telecommunications. 1995. Pp. 1-28.
6. Saidatul N. A., Azremi A. A. H., Ahmad R. B., Sohand P J., Malek F. Multiband fractal planar inverted F antenna (F-PIFA) for mobile phone application. Progress In Electromagnetics Research (PIER). 2009. Vol. 14. Pp. 127-148.
7. Taga T. Analysis for mean efective gain of mobile antennas inland mobile radio environments. IEEE Trans. Veh. Tech. 1990. Vol. 39. No. 2. Pp. 117-131.
8. Dong L., Ling H., Heath R. W. Multiple-input multiple-output wireless communication systems using antenna pattern diversity. Proc. IEEE Global Telecommun. Conf, Taipei, Taiwan, Nov. 2002. Vol. 1. Pp. 997-1001.
9. Pedersen K., Mogensen P., Fleury B. Power azimuthspectrum in outdoor environments. Electron. Lett. 1997. Vol. 33. No. 18. Pp. 1583-1584.
10. Karaboikis M. P., Papamichael V. C., Tsachtsiris G. F., Soras C. F., Makios V. T. Integrating compact printed antennas onto small diversity/MIMO terminals. IEEE Trans. Antennas Propag. 2008. Vol. 56. No. 7. Pp. 2067-2078.
11. Myasnikova A. I., Legkov K. E. Analysis of technologies of high speed broadband wireless access. H&ES Research. 2009. Vol. 1 No.1. Pp. 34-37. (In Rus)
12. Myasnikova A. I., Legkov K. E. Analysis of broadband wireless access modulation methods. H&ES Research. 2010. Vol. 2 No.2. Pp. 35-37. (In Rus)
13. Legkov K. E. Methods of managing the quality of information exchange in modern systems of wireless broadband access for special purposes. T-Comm. 2010. Vol. 4. No. 3. Pp. 35-38. (In Rus)
14. Legkov K. E. Approaches to development of the concept of implementation of military multimedia systems. H&ES Research. 2011. Vol. 3 No. 2. Pp. 13-15. (In Rus).
15. Smirnov K. A., Legkov K. E. On the structure of the automated system of frequency-territorial planning of special-purpose trunking radio networks. Proceedings of the North Caucasus branch of the Moscow technical University of communications and Informatics. 2011. No. 1. Pp. 88-91. (In Rus)
16. Legkov K. E. IEEE802.16 Standard: quality management of information exchange in special purpose systems. Proceedings of the North Caucasus branch of the Moscow technical University of communications and Informatics. 2011. No. 1. Pp. 66-73. (In Rus)
17. Legkov K. E. Technologies of wireless broadband access: analysis of modulation methods. Proceedings of the North Caucasus branch of the Moscow technical University of communications and Informatics. 2011. No. 1. Pp. 184-189. (In Rus)
18. Baboshin V. A., Pavlovich A. A., Legkov K. E. Features of multiple access in broadband wireless networks of special purpose. Proceedings ofthe North Caucasus branch of the Moscow technical University of communications and Informatics. 2011. No. 1. Pp. 140-143. (In Rus)
19. Legkov K. E. Mathematical description of control information flows in the process of managing a modern special-purpose info-communication network. Proceedings of the Rostov state University of Railways. 2014. No. 3. Pp. 34-39. (In Rus)
20. Fedorov A. E., Legkov K. E. Modeling of proactive and responsive routing protocols in a wireless mobile adaptive network. Proceedings of the North Caucasus branch of the Moscow technical University of communications and Informatics. 2014. No. 1. Pp. 362-365. (In Rus)
