CC BY
108
DOI 10.36622/VSTU.2021.17.4.013 УДК 621.396
РАЗРАБОТКА MIMO АНТЕННОЙ РЕШЕТКИ ДЛЯ СЕТЕЙ 5G
К.А. Бердников1, Е.А. Ищенко1, В.В. Кузнецова1, С.М. Фёдоров1,2
воронежский государственный технический университет, г. Воронеж, Россия 2Международный институт компьютерных технологий, г. Воронеж, Россия
Аннотация: рассматривается антенная система для сетей пятого поколения частот 37 ГГц (миллиметровый диапазон радиоволн). Предлагается установка антенны на задней стенке устройства, а излучение радиоволн происходит через стеклянную заднюю панель устройства. Для функционирования в сетях пятого поколения была разработана MIMO антенная решетка, которая состоит из четырех элементов и способна функционировать в «умном» режиме. Благодаря этому возможно формирование луча в антенной системе (beamforming). Для анализа характеристик антенной системы были получены коэффициенты корреляции огибающей, диаграммы направленности, картины электрических полей, получены зависимости эффективной изотропно излучаемой мощности (EIRP), построены графики кумулятивных функций распределения EIRP в линейном и логарифмическом масштабе. Для определения влияния излучения на человека были построены картины удельного коэффициента поглощения (SAR) в соответствии с европейскими нормами на 10 грамм тканей. Все полученные результаты показывают высокую эффективность разработанной конструкции антенной решетки для сетей пятого поколения. Антенные элементы обладают малой взаимной корреляцией, позволяют обеспечить формирование луча, кумулятивные функции распределения показывают высокий уровень покрытия сферы эффективной изотропно излучаемой мощности радиоволнами. Также было показано, что разработанная антенная система обладает малым уровнем удельного коэффициента поглощения, что доказывает безопасность сетей пятого поколения миллиметрового диапазона радиоволн. Развитие современных систем связи позволяет достичь высокой безопасности и эффективности при получении информации
Ключевые слова: сети пятого поколения (5G), MIMO антенная решетка, эффективная изотропно излучаемая мощность (EIRP), кумулятивная функция распределения (CDF), удельный коэффициент поглощения (SAR)
Введение
Разработка антенных систем для сетей пятого поколения является важной и перспективной задачей, так как повсеместное внедрение сетей 5G позволит достичь нового уровня качества получения информации. В работах авторов [1-3] предлагается размещение антенн для сетей 5G миллиметрового диапазона радиоволн (mmWave) по контуру устройства, однако такое размещение имеет ряд недостатков: по контуру мобильных устройств размещаются антенные системы других стандартов связей; перекрытие антенн рукой абонента, что приводит к нарушению связи; так как внешний контур большинства устройств выполнен из металлов -установка разделителей антенн, через которые распространяются радиоволны. Одним из перспективных способов размещения антенн является задняя панель устройства, так как в последнее время основным материалом изготовления выступает стекло, которое выступает диэлектриком, а следовательно, является проницаемым для радиоволн. В данной работе рассматривается конструкция MIMO антенной
© Бердников К.А., Ищенко E.A., Кузнецова B.B., Фёдоров С.М., 2021
решетки для сетей 5G частотного диапазона 37 ГГц, которая предназначается для установки на задней стенке устройства.
Конструкция антенны
В качестве базового антенного элемента был выбран микрополосковый патч-излучатель [4], базовый эскиз которого приводится на рис. 1.
L-Ч
б)
Рис. 1. Исследуемый антенный элемент
Разработанный антенный элемент разрабатывался с учетом того, что закалённое стекло,
из которого изготавливаются элементы корпуса мобильных устройств, имеют: £ = 4.82, S = = 0.0054. На основе антенных элементов, которые приводятся на рис. 1, была сформирована smart-MIMO антенная решетка, которая обладает технологией формирования луча (beam-forming). Конструкция антенной решетки приводится на рис. 2.
Farfield Directii/ity АЬ& (phl=ú)
Рис. 2. Полученная MIMO антенная решетка
Как видно, антенные элементы имеют малые размеры, так как разрабатывались для миллиметрового частотного диапазона (37 ГГц). Для планарных антенн очень важными являются параметры толщины медного проводника и диэлектрической подложки. В качестве материала изготовления был выбран фольгированный диэлектрик Rogers RO4730G3, который был специально разработан для изготовления антенн для сетей пятого поколения миллиметрового диапазона радиоволн, так данный материал обладает: £ = 2.98, S = 0.003, толщина медного напыления составляет 35 мкм. Характеристики излучателя приведены на рис. 3.
Farfield Directivity Abs ¡l'-ii='Jü)
— farfield (f=37) [13
Theta I Degree vs. dBi
Frequency = 37 GHz Main tabe magnitude = 7.34 dBi Main [nbe direction = 1.0 deg. Angular width (3 dB) = 80,0 deg. Side lobe level = -14.1 dB
а)
Рис. 3. Диаграммы направленности предлагаемой конструкции: а), б) вертикальные срезы диаграммы направленности; в) трехмерная диаграмма направленности
-farfield (f=37) [1]
Theta / Degree vs. dBi
Frequency = 37 GHz Main lobe magnitude » 7.43 dBi Main lobe direction = 6.0 deg. Angular width (3 dB) = 84.4 deg. Side lobe level = -22.0 dB
в)
Рис. 3. Диаграммы направленности предлагаемой конструкции: а), б) вертикальные срезы диаграммы направленности; в) трехмерная диаграмма направленности (продолжение)
Как видно по полученным графикам, диаграмм направленности, наблюдается широкий главный лепесток, что позволяет улучшить качество связи и простоту подключения для абонента. На рис. 4 приводится картина Е-поля на антенной решетке.
Рис. 4. Картина распространения E-поля
Для любой MIMO антенной системы важным параметром выступает коэффициент корреляции огибающей [5]:
ЕСС =
1 ^mm Snm + Smn Snn 12
l^mml2 l^nml2 |^nn|2)
. (1)
Для полученной антенной решетки характеристики корреляции приведены на рис. 5.
Ib • U»i UwffWiS V>jrf.'.-»|
35.0L8 355 36 36.5 [ЗТ] 37.5 33 38.5 39 39.5 40 Fiequency I Shz
Рис. 5. Коэффициент корреляции для соседних двух элементов
Как видно по полученным результатам, система малокоррелируема, что показывает высокую эффективность MIMO режима. Однако очень важно учитывать, что приведенные результаты могут измениться после установки антенной системы в корпус мобильного устройства, поэтому произведем анализ полной конструкции, установленной в корпус.
Моделирование системы в корпусе устройства
компонентов на распространение радиоволн. Произведем анализ характеристик антенной системы после установки в корпус, на рис. 7 приводятся Smm параметры антенных элементов (главная диагональ - возвратные потери).
5 Parareters [Ma#№deJ
б-
зэ за 34 36 за Л! 44
Рис. 7. Возвратные потери антенных элементов
Как видно по полученным результатам, антенные элементы обладают диапазоном рабочих частот от 36.5 до 37.5 ГГц. Для более подробного анализа результатов установки антенной системы рассмотрим картины полей и диаграмму направленности антенного элемента, установленного в корпусе устройства - рис. 8.
Конструкция устройства приведена на рис. 6. Причем между антенной и задним стеклом имеется воздушная прослойка в 0.93 мм, что вызвано возможностью размещения катушки беспроводной зарядки в корпусе устройства.
Рис. 6. Мобильное устройство: 1) антенный модуль сетей
5G 37 ГГц; 2) модуль камер; 3) печатная плата; 4) аккумуляторная батарея; 5) нижний шлейф устройства; 6) стеклянная крышка
Как видно из рисунка, выбранное месторасположение антенной системы позволяет максимально снизить влияние окружающих
Рис. 8. Результаты моделирования антенной системы: а) диаграмма направленности в корпусе устройства на частоте 37 ГГц; б) картина распространения Е-поля в устройстве
Как уже было сказано, ранее разрабатываемая антенная решетка обладает технологией beamforming, а также способна работать в MU-MIMO режимах, поэтому произведем анализ характеристик антенной системы после установки в корпусе устройства.
Характеристики антенной решетки миллиметрового диапазона с технологией формирования луча в корпусе устройства
Анализ MIMO антенной системы начнем с коэффициента корреляции огибающей, так как он мог измениться ввиду помех, которые вносит корпус мобильного устройства - рис. 9.
Рис. 9. Коэффициент корреляции огибающей
Как видно по полученным результатам, произошло снижение между антенными элементами в антенной решетке, что приводит к улучшению характеристик антенной системы. Теперь рассмотрим наличие возможности управления лучом антенной системы. В процессе использования технологии ЬеатЮ^^ происходит синхронное запитывание антенной системы с разным фазовым распределением. Базовыми точками отсчета являются: нулевые сдвиги фаз, фазы 0, 45, 90, 135 и 0, -45, -90, -135. Далее на основе полученных картин диаграмм направленности строятся трехмерные картины эффективной изотропно излучаемой мощности или ЕШР.
Е1ЯР определяется как усиление антенны, умноженное на мощность, которая передается на антенну от передатчика. Е1ЯР эквивалентен мощности, которую должен излучить изотропный излучатель для достижения того же уровня сигнала в исследуемом направлении. Таким образом, ЕШР, как и КНД, является функцией направления, то есть зависит от рассматриваемого угла в пространстве; величина Е1ЯР лежит в пределах от 0 до бесконечности и имеет выраженный максимум и минимум, для идеального изотропного излучателя максимальное значение равно минимальному.
Для анализа значений EIRP, которые излучает антенный элемент, применяют кумулятивную функцию распределения вероятностей (CDF). Так, базовая функция плотности вероятности EIRP определяется как:
S^mdE = j/m<"7(£) dE = 1. (2)
ш стт
Таким образом, вероятность нахождения значений EIRP в диапазоне определяется как:
Р = Sr2f(E)dE.
(3)
Учитывая, что в трехмерных координатах пространство представляется в виде сферы, которая с расширением увеличивается, а следовательно, и увеличивается величина значений EIRP, тогда становится возможным построение CDF, которая покажет вероятность наблюдения значений менее заданного порога:
F(EIRP) = f*'«Plf(E)dE.
(4)
Таким образом, данный график покажет, какая доля покрытой сферы находится за пределами сферы радиуса EIRP. Можно сделать вывод, что чем большее значение имеет EIRP на данном уровне CDF [6, 7], тем большую мощность обеспечивает диаграмма направленности.
Для полученной антенной системы применение фазового распределения и полученных значений EIRP приводится на рис. 10.
Рис. 10. Графики ЕГОР при применении различных фазовых сдвигов
Как видно по полученным графикам, удается достичь управления направлением излучения, что и является основной задачей формирования луча, однако, как видно при применении фазового распределения в 0, 45, 90, 135, заметны искажения в характеристиках ЕШР, которые возникают вследствие модуля камер, который выступает из корпуса и мешает распростране-
нию радиоволн. Суммарная огибающая полученных характеристик приводится на рис. 11.
Рис. 11. Огибающая зависимостей ЕГОР
Как видно по графику, все пиковые значения лежат в диапазоне уровня половины мощности от максимума, то есть возможно обеспечение плавного изменения положения главного лепестка. Постоем графики кумулятивной функции распределения Е1ЯР - рис. 12.
Cumulative Distribution Function of EIRP
а)
Cum Jlative Distribution Function of EIRP
Ö.7 0.S
52
Э 0 10 Giap(rjn-nw) 4> -11
б)
Рис. 12. Кумулятивные функции распределения EIRP: а) линейный масштаб; б) логарифмический (шкала EIRP в дБмВт). Beaml - нулевое фазовое распределение;
Beam2 - 0, 45, 90, 136; Beam3 - 0, -45, -90, -135
Так на графике функции распределения определяется уровень 0.5, который соответствует половине покрытия сферы для 50% точек приема устройств. Для полученных зависимостей это значение составило 0,11 Вт или 20,5 дБмВт.
Как видно из полученных результатов, антенна для сетей 5G миллиметрового диапазона обеспечивает высокие характеристики MIMO антенной решетки, а также позволяет обеспечить режим формирования луча (beamforming), также полученные графики функций распреде-
ления EIRP показывают высокую эффективность работы системы.
Моделирование удельного коэффициента поглощения
Удельный коэффициент поглощения или SAR [8, 9] является важной составляющей при разработке электроники, так как показывает, какое количество электромагнитной энергии поглотят ткани человека. В процессе моделирования рис. 13 исследование производилось по алгоритму для Европейского Союза, где измерение производится в соответствии с учетом на 10 гр. тканей, при этом максимально допустимое значение составляет 2 Вт/кг на 10 гр. тканей.
Рис. 13. Модель для исследования SAR
Суммарный уровень SAR определяется в соответствии с:
SAR =
oE¿
Р I2
SAR = —
ра
SAR = c¡ —— .
1 dt
(5)
(6) (7)
где Е - напряженность электрического поля (В/м);
J - плотность токов (А/м ); р - плотность тканей человека (кг/м3); о - электрическая проводимость (См/м); С; - теплоемкость человеческих тканей
(Дж/(кг-К));
ат
— - производная температуры тканей по времени (К/с).
Так как тело человека является диэлектриком, то алгоритм расчета основан на записи потерь энергии в диэлектрических материалах
- рис. 14.
Рис. 14. Потери в диэлектрических материалах
Как видно по полученным результатам, часть энергии поглощают диэлектрические материалы внутри устройства, а это, в свою очередь, понижает уровень SAR - рис. 15.
Рис. 15. SAR для разработанной антенной системы
Как видно по полученным результатам, максимальный уровень SAR составил 0.58 Вт/кг на 10 гр. тканей, что намного ниже максимально допустимого уровня.
Заключение
В процессе исследования была разработана умная MIMO антенная решетка для сетей 5G миллиметрового диапазона 37 ГГц. Получен-
ные результаты показали высокую эффективность предложенной конструкции, возможность использования технологии beamforming, а также доказана высокая безопасность разработанной конструкции (малый уровень SAR). Был произведен полный анализ характеристик излучения и работы антенной системы с использованием эффективной изотропно излучаемой мощности и кумулятивных функций распределения.
Литература
1. Ojaroudiparchin N., Shen M., Pedersen G.F. Multilayer 5G mobile phone antenna for multi-user MIMO communications // 2015 23rd Telecommunications Forum Telfor (TELFOR). 2015. Pp. 559-562.
2. Phased Array Antenna with Whole-Metal-Cover for MM-Wave 5G Mobile Phone Applications/ H. Lee, J. Bang, S. Lee, J. Choi // 2018 IEEE International Workshop on Electromagnetics: Applications and Student Innovation Competition (iWEM). 2018. 1 p.
3. mmWave 5G NR Cellular Handset Prototype Featuring Optically Invisible Beamforming Antenna-on-Display/ W. Hong et al. // IEEE Communications Magazine. 2020. Vol. 58. No. 8. Pp. 54-60.
4. Stutzman W.L., Thiele G.A. Antenna Theory and Design. Third Edition // Wiley. 2013. 820 p.
5. Blanch S., Romeu J., Corbella I. Exact presentation of antenna system diversity performance from input parameter description // Electronics Letters. 2003. Vol. 39. pp. 705-707.
6. Hazmi A., Tian R. Throughput and Spherical Coverage Performance of mmWave Dual Polarized Antenna Arrays // 2020 14th European Conference on Antennas and Propagation (EuCAP). 2020. Pp. 1-4.
7. Khripkov A., Ilvonen J., Milosavljevic Z. 5G Millimeter Wave Broadside-Endfire Antenna Array // 2020 International Workshop on Antenna Technology (iWAT). 2020. Pp. 1-4.
8. Bang J., Choi J. A SAR Reduced mm-Wave Beam-Steerable Array Antenna With Dual-Mode Operation for Fully Metal-Covered 5G Cellular Handsets // IEEE Antennas and Wireless Propagation Letters. 2018. Vol. 17. No. 6. Pp. 11181122.
9. Thomas T., Charishma G., Veeraswamy K. MIMO antenna system with high gain and low SAR at for UE of 5G operating MM wave: Design. 2015 10th International Conference on Information, Communications and Signal Processing (ICICS). 2015. Pp. 1-5.
Поступила 27.04.2021; принята к публикации 20.08.2021 Информация об авторах
Бердников Кирилл Алексеевич - студент, Воронежский государственный технический университет (394006, Россия, г. Воронеж, ул. 20-летия Октября, 84), тел. +7(473)243-77-29, e-mail: kir_ber@mail.ru
Ищенко Евгений Алексеевич - студент, Воронежский государственный технический университет (394006, Россия, г. Воронеж, ул. 20-летия Октября, 84), тел. +7(473)243-77-29, e-mail: kursk1998@yandex.ru, ORCID: https://orcid.org/0000-0002-5270-0792
Кузнецова Валерия Васильевна - студент, Воронежский государственный технический университет (394006, Россия, г. Воронеж, ул. 20-летия Октября, 84), тел. +7(473)243-77-29, e-mail: lera.kuznetsova.20@bk.ru
Фёдоров Сергей Михайлович - канд. техн. наук, доцент кафедры радиоэлектронных устройств и систем, Воронежский государственный технический университет (394006, Россия, г. Воронеж, ул. 20-летия Октября, 84); доцент кафедры информационной безопасности и систем связи, Международный институт компьютерных технологий (394026, Россия, г. Воронеж, ул. Солнечная, д. 29 б), тел. +7(473)243-77-29, e-mail: fedorov_sm@mail.ru, ORCID: https://orcid.org/0000-0001-9027-6163
DESIGNING A MIMO ANTENNA ARRAY FOR 5G NETWORKS
K.A. Berdnikov1, E.A. Ishchenko1, V.V. Kuznetsova1, S.M. Fyedorov1,2
Voronezh State Technical University, Voronezh, Russia international Institute of Computer Technologies, Voronezh, Russia
Abstract: the article discusses an antenna system for networks of the fifth generation of 37 GHz frequencies (millimeter-wave radio waves). We propose to install the antenna on the rear wall of the device, radio waves are emitted through the glass rear panel of the device. For functioning in networks of the fifth generation, a MIMO antenna array was developed, which consists of four elements and is capable of functioning in a "smart" mode. This makes it possible to form a beam in the antenna system (beamforming). To analyze the characteristics of the antenna system, we obtained the correlation coefficients of the envelope, directional patterns, patterns of electric fields, the dependences of the effective isotropically radiated power (EIRP), and we plotted the graphs of the cumulative distribution functions of EIRP on a linear and logarithmic scale. To determine the effect of radiation on a person, we built pictures of the specific absorption rate (SAR) in accordance with European standards for 10 grams of tissue. All the results obtained show the high efficiency of the developed design of the antenna array for fifth generation networks. Antenna elements have low cross-correlation, allow for beam formation, cumulative distribution functions show a high level of coverage of the sphere of effective isotropically radiated power by radio waves. We also show that the developed antenna system has a low level of specific absorption coefficient, which proves the safety of fifth-generation networks of millimeter-wave radio waves. The development of modern communication systems makes it possible to achieve high security and efficiency in obtaining information
Key words: fifth generation (5G) networks, MIMO antenna array, effective isotropic radiated power (EIRP), cumulative distribution function (CDF), specific absorption rate (SAR)
References
1. Ojaroudiparchin N., Shen M., Pedersen G.F. "Multi-layer 5G mobile phone antenna for multi-user MIMO communications", 2015 23rd Telecommunications Forum Telfor (TELFOR), 2015, pp. 559-562.
2. Lee H., Bang J., Lee S., Choi J. "Phased array antenna with whole-metal-cover for mm-wave 5G mobile phone applications", 2018 IEEE International Workshop on Electromagnetics: Applications and Student Innovation Competition (iWEM), 2018, 1 p.
3. Hong W. et al. "MM-wave 5G NR cellular handset prototype featuring optically invisible beamforming antenna-on-display", IEEE Communications Magazine, 2020, vol. 58, no. 8, pp. 54-60
4. Stutzman W.L., Thiele G.A. "Antenna theory and design. Third edition", Wiley 2013, 820 p.
5. Blanch S., Romeu J., Corbella I. "Exact presentation of antenna system diversity performance from input parameter description", Electronics Letters, 2003, vol. 39, pp. 705-707.
6. Hazmi A., Tian R. "Throughput and spherical coverage performance of mm-wave dual polarized antenna arrays", 2020 14th European Conference on Antennas and Propagation (EuCAP), 2020, pp. 1-4.
7. Khripkov A., Ilvonen J., Milosavljevic Z. "5G millimeter wave broadside-endfire antenna array", 2020 International Workshop on Antenna Technology (iWAT), 2020, pp. 1-4.
8. Bang J., Choi J. "A SAR reduced mm-wave beam-steerable array antenna with dual-mode operation for fully metal-covered 5G cellular handsets", IEEE Antennas and Wireless Propagation Letters, 2018, vol. 17, no. 6, pp. 1118-1122.
9. Thomas T., Charishma G., Veeraswamy K. "MIMO antenna system with high gain and low SAR at for UE of 5G operating MM wave: Design", 2015 10th International Conference on Information, Communications and Signal Processing (ICICS), 2015, pp. 1-5.
Submitted 27.04.2021; revised 20.08.2021
Information about the authors
Kirill A. Berdnikov, student, Voronezh State Technical University (84 20-letiya Oktyabrya str., Voronezh 394006, Russia), tel. +7(473)243-77-29, e-mail: kir_ber@mail.ru
Evgeniy A. Ishchenko, student, Voronezh State Technical University (84 20-letiya Oktyabrya str., Voronezh 394006, Russia), tel. +7(473)243-77-29, e-mail: kursk1998@yandex.ru, ORCID: https://orcid.org/0000-0002-5270-0792
Valeriya V. Kuznetsova, student, Voronezh State Technical University (84 20-letiya Oktyabrya str., Voronezh 394006, Russia), tel. +7(473)243-77-29, e-mail: lera.kuznetsova.20@bk.ru
Sergey M. Fedorov, Cand. Sc. (Technical), Associate Professor, Voronezh State Technical University (84 20-letiya Oktyabrya str., Voronezh 394006, Russia), International Institute of Computer Technologies (29 b Solnechanya str., Voronezh 39026, Russia), tel. +7(473)243-77-29, e-mail: fedorov_sm@mail.ru, ORCID: https://orcid.org/0000-0001-9027-6163
