CC BY
55
DOI 10.36622/VSTU.2020.16.6.016 УДК 621.396
РАЗВЯЗКА АНТЕНН ВИВАЛЬДИ В СОСТАВЕ MIMO АНТЕННОЙ РЕШЕТКИ С.М. Фёдоров, Е.А. Ищенко, И.А. Зеленин, Е.В. Папина, Е.Д. Меньшикова, С.И. Деревянкин
Воронежский государственный технический университет, г. Воронеж, Россия
Аннотация: рассматривается MIMO антенная решетка, сформированная из двух антенн Вивальди, которые должны обеспечить работу в частотном диапазоне, выделенном для сетей пятого поколения - 24,25-24,65 ГГц. Для определения основных параметров антенны применялось моделирование, на основе которого были установлены основные характеристики MIMO антенной решетки: коэффициент корреляции огибающей, коэффициент усиления при разнесенном режиме, эффективность сложения. По результатам было определено, что при расстоянии между антеннами в 6,13 мм достигаются максимально возможные характеристики MIMO антенной решетки, а для стабильного функционирования достаточным является расстояние в 2,45 мм. В статье приводятся размеры исследуемой антенны, графики обратных потерь (Su - параметров), диаграммы направленности, коэффициентов корреляции огибающих, коэффициента усиления при разнесенном режиме, эффективности сложения при различных расстояниях между антенными элементами. Обеспечение стабильности работы MIMO антенной решетки является важной задачей, так как все современные системы связи используют эту технологию для реализации многоканальной передачи, а следовательно, для повышения скорости передачи информации. Для определения геометрических характеристик и выполнения моделирования применялось специализированное программное обеспечение
Ключевые слова: MIMO антенная решетка, коэффициент корреляции огибающей, коэффициент усиления при разнесенном режиме, эффективность сложения, связь пятого поколения, антенна Вивальди
Введение
Технология MIMO является одной из основополагающих в построении систем связи. На ее основе построены все современные высокоскоростные системы связи, так как увеличение антенн в системе позволяет значительно повысить скорость передачи информации. Так, технология MIMO лежит в основе:
1) Wi-Fi 5;
2) Wi-Fi 6;
3) 4G;
4) 5G.
Ввиду увеличения числа антенн происходит увеличение габаритных размеров антенной системы, что нежелательно, поэтому приходится искать баланс, который обеспечивает оптимальные характеристики при минимальных габаритах устройства.
Основные параметры MIMO антенной решетки
Для MIMO антенных решеток определяется ряд основных параметров [1], так применяемые антенны должны иметь низкий коэффициент корреляции огибающей (ECC) [2], максимально близкий к 10 коэффициент усиления при разнесенном режиме (DG) и обеспечивать
наилучшее сложение сигналов (ME) при приеме для их обработки [3]. При этом в качестве базовой антенны для исследования была выбрана антенна Вивальди, которая должна обеспечивать функционирование в диапазоне частот, который был выделен ГКРЧ для технологии 5G - 24,25-24,65 ГГц. Для расчетов параметров рекомендуется применять диаграммы направленности полученных антенн, а не S-параметры, так как при использовании картин полей полученные результаты являются более точными.
Основные параметры антенны Вивальди
Антенна Вивальди является одной из самых сложных с точки зрения электродинамического расчета, поэтому для определения ее характеристик применяют специализированное программное обеспечение.
Размеры антенны приведены в таблице, в качестве материала подложки был выбран Rogers RO4003C, который предназначен для работы в областях СВЧ, превышающих 10 ГГц и обладает следующими параметрами: £ = 3,55,^ = 1, Electric tand = 0,0027; в качестве проводника была выбрана медь с толщиной 35 мкм.
© Фёдоров С.М., Ищенко Е.А., Зеленин И.А., Папина Е.В., Меньшикова Е.Д., Деревянкин С.И., 2020
|-<—Lmt-
Ж ?
\ г Smc ->-1 • \
б) 1 "1 Rs J
Là1
Wmc ->■ ;
1
Í
в)
г)
Рис. 1. Модель антенны с указанием параметров: а) вид сверху; б) вид снизу; в) вид сбоку; г) - вид линии питания
Размеры исследуемой антенны
Hf, Lf, Hc, Dc, Smc, Lmc, Wmc,
мм мм мм мкм мкм мкм мкм
7,42 14,18 9,45 952,5 84,37 952,5 168,7
Lmt, Wmt, Ls, Ws, Rs, 6s, ° Hs,
мм мкм мкм мкм мкм мкм
2,07 470 168,7 69,65 750,3 90 203
I-4607Т
r Л Л
\ г. \/
\ \
d=36-D7S [
В процессе моделирования были определены Sll параметры исследуемой антенны, которые приведены на рис. 2.
Рис. 2. Полученные S11 параметры антенны Вивальди
В качестве диапазонов работы антенн принято использовать те участки, на которых значение обратных потерь ниже -10 дБ. По полученной картине видно, что антенна имеет пять рабочих диапазонов:
1) 22,75 - 25,78 ГГц, минимальное значение обратных потерь: -46,2 дБ (24,225 ГГц);
2) 30,24 - 33,70 ГГц, минимальное значение обратных потерь: -23,57 дБ (31,897 ГГц);
3) 37,26 - 58,22 ГГц, минимальное значение обратных потерь: -35,27 дБ (48,166 ГГц);
4) 62,11 - 64 ГГц, минимальное значение обратных потерь: -10,67 дБ (63,013 ГГц).
При этом типовая диаграмма направленности данной антенны приведена на рис. 3.
FarüeU Drecthrty Abs [Phi=0)
Frequency = 24.45 GHz Man lobe magnitude = 6.98 dBi Main lobe direction = 88.0 deg. Angular width (3 dB) = 78.1 deg. Side lobe level = -8.1 dB
Frequency = 24.45 GH2 Main lobe magnitude - 6.98 dBi Ma'ii lobe direction = 0.0 deg. Angular width (3 dB) = 83.9 deg. Side lobe level = -8.1 dB
6)
Рис. 3. Полученные диаграммы направленности антенны Вивальди: а) при <р = 0°; б) при в = 90°
На основе полученной антенны Вивальди была сформирована MIMO антенная решетка, причем расстояние между антеннами определялось относительно значения:
д _ с _ 3-Ю8 м/с _ / _ 24,45-109 Гц
_ 12,26 ■ 10"
м
Исследование влияния расстояния между элементами на характеристики MIMO антенной решетки
В процессе исследования рассматривались 5 ситуаций, так вид исследуемой MIMO антенной решетки приведен на рис. 4, а в качестве опорных точек были выбраны:
1) 0,051 = 0,61 мм;
2) 0,1Л = 1,23 мм;
3) 0,21 = 2,45 мм;
4) 0,51 = 6,13 мм;
5) 11 = 12,26 мм.
Рис. 4. Вид исследуемой MIMO антенной решетки
На основе проведенного моделирования были получены основные параметры MIMO антенной решетки, так на рис. 5 приведены графики коэффициента корреляции огибающей (ECC).
j •
/ \ i 1
j i ; \ i 1
: : i-»'-. С > ; i :fi •Vi ¡ >4 i \ /■/...; v./7 /Wi '* 1
\ 1/ \ \ \
- Envelope Córtele...0.0$ |агтЫа
Рис. 5. Коэффициент корреляции MIMO антенной решетки
Как видно по полученным результатам при расстоянии между антенными элементами 0,21 (2,45 мм) коэффициент корреляции не превышает 0,1, а следовательно, антенная решетка будет функционировать стабильно без нарушения режимов работы. На рис. 6 приведен коэффициент усиления при разнесенном режиме для рассматриваемой ситуации.
ж -V" ' /V.
i V "¡ \\ j \ / J ' '~1 ; \
i v. \ i v' ■ -{
: ; \ ; \ ¡ • j
\ ' \ i \ !
\ ; V y \
y V
»
— Diversity iah g,Q5 tomWa —Diversity Gain 0.1 lambda •• ■ Diversity Gain 0.2 lambda
— Diversity Can 0.5 lambda
— Diversify Gam 1 lambda
Рис. 6. Коэффициент усиления при разнесенном режиме MIMO антенной решетки
По полученным графикам видно, что при расстоянии между антеннами в 0,21 значение данного параметра не опускается ниже 9, что
соответствует стабильному режиму работы MIMO антенной решетки. На рис. 7. приведен график эффективности сложения для MIMO антенной решетки.
í V •'• / A
v'. / r\7/ ' ■ ,A /. \ i.
:WA h ' .1 X>r ¡ V/ y ; s •• • i Ni,
Л , "j > ¡ J Г
i \ ¡ \
> V
• - fjr:i?T4t» . .vitiroí»
— - • Cjfcie. rq Elfi...с.: lainxä •••I' » -l-k rq Fill fihrn—'
— Cjrrl». rjjtfh t^lanoo
— r • J-irqlli» I -r-l»J»
Рис. 7. Эффективность сложения MIMO антенной решетки
При расстоянии между антенными элементами, равному 0,21 значение данного параметра не падает ниже -2,5 дБ, однако особенность данного параметра состоит в том, что важную роль в его расчете составляют КПД антенн.
Заключение
В процессе моделирования был произведен анализ MIMO антенной решетки, которая была сформирована из двух антенн Вивальди. По результатам видно, что при расстоянии между антеннами равном 0,21 (2,45 мм) достигается оптимальный режим работы.
Применение MIMO антенной решетки позволяет значительно улучшить характеристики канала связи, так как повышается скорость работы системы при работе в диапазонах СВЧ. При этом, если расстояние между антеннами равно 0,51 (6,13 мм), параметры антенной системы достигают максимума, а следовательно, дальнейшее увеличение расстояния не приносит преимущества в работе системы.
Литература
1. Исследование влияния расстояния между антеннами в MIMO антенной решетке для сетей пятого поколения / Антипов С.А., Ищенко Е.А., Кострова В.Н., Разин-кин К.А., Стежкин Д.А., Фёдоров С.М. // Вестник Воронежского государственного технического университета. 2020. Т. 16. № 4. С. 109-116.
2. Blanch S., Romeu J., Corbella I. Exact representation of antenna system diversity performance from input parameter description // Electronics letters. 2003. V. 39. № 9. Pp. 705-707
3. Tian R., Lau B.K., Ying Z. Multiplexing Efficiency of MIMO Antennas // IEEE Antennas and Wireless Propagation Letters. 2011. V. 10. Pp. 183-186.
Поступила 18.11.2020; принята к публикации 21.12.2020 110
Информация об авторах
Фёдоров Сергей Михайлович - канд. техн. наук, доцент кафедры радиоэлектронных устройств и систем, Воронежский государственный технический университет (394006, Россия, г. Воронеж, ул. 20-летия Октября, д. 84), тел. +7(473)243-77-29, e-mail: [email protected]
Ищенко Евгений Алексеевич - студент, Воронежский государственный технический университет (394006, Россия, г. Воронеж, ул. 20-летия Октября, д. 84), тел. +7(473)243-77-29, e-mail: [email protected]
Зеленин Иван Алексеевич - старший преподаватель кафедры радиоэлектронных устройств и систем, Воронежский государственный технический университет (394006, Россия, г. Воронеж, ул. 20-летия Октября, д. 84), тел. +7(473)243-77-29 Папина Елизавета Владимировна - студент, Воронежский государственный технический университет (394006, Россия, г. Воронеж, ул. 20-летия Октября, д. 84), тел. +7(473)243-77-29, e-mail: [email protected]
Меньшикова Екатерина Дмитриевна - студент, Воронежский государственный технический университет (394006, Россия, г. Воронеж, ул. 20-летия Октября, д. 84), тел. +7(473)243-77-29, e-mail: [email protected]
Деревянкин Сергей Игоревич - студент, Воронежский государственный технический университет (394006, Россия, г. Воронеж, ул. 20-летия Октября, д. 84), тел. +7(473)243-77-29, e-mail: [email protected]
INTERCONNECTION OF VIVALDI ANTENNAS IN THE MIMO ANTENNA ARRAY
S.M. Fyedorov, E.A. Ishchenko, I.A. Zelenin, E.V. Papina, E.D. Men'shikova, S.I. Derevyankin
Voronezh State Technical University, Voronezh, Russia
Abstract: the article discusses a MIMO antenna array formed of two Vivaldi antennas, which should provide operation in the frequency range allocated for fifth generation networks - 24.25-24.65 GHz. To determine the main parameters of the antenna, we applied modeling, on the basis of which we determined the main characteristics of the MIMO antenna array: the envelope correlation coefficient, the diversity gain, the multiplexing efficiency. According to the results, we determined that with a distance between antennas of 6.13 mm, the maximum possible characteristics of a MIMO antenna array are achieved, and a distance of 2.45 mm is sufficient for stable operation. The article gives the dimensions of the antenna under study, graphs of return loss (S11 - parameters), radiation patterns, envelope correlation coefficient, diversity gain, multiplexing efficiency at different distances between the antenna elements. Ensuring the stability of the MIMO antenna array is an important task since all modern communication systems use this technology to implement multichannel transmission, and, consequently, to increase the information transfer rate. We used specialized software to determine geometric characteristics and perform modeling
Key words: MIMO antenna array, envelope correlation coefficient, diversity gain, multiplexing efficiency, fifth generation communications, Vivaldi antenna
References
1. Antipov S.A., Ishchenko E.A., Kostrova V.N., Razinkin K.A., Stezhkin D.A., Fyedorov S.M. "Investigation of the influence of the distance between antennas in MIMO antenna array for fifth generation communications", Bulletin of Voronezh State Technical University (Vestnik Voronezhskogo gosudarstvennogo technicheskogo universiteta), 2020, vol. 16, no. 4. pp 109-116.
2. Blanch S., Romeu J., Corbella I. "Exact representation of antenna system diversity performance from input parameter description", Electronics Letters, 2003, vol. 39, no. 9, pp. 705-707.
3. Tian R., Lau B.K., Ying Z. "Multiplexing efficiency of MIMO antennas", IEEE Antennas and Wireless Propagation Letters, 2011, vol. 10, pp. 183-186
Submitted 18.11.2020; revised 21.12.2020 Information about the authors
Sergey M. Fyedorov, Cand. Sc. (Technical), Associate Professor, Voronezh State Technical University (84 20-letiya Oktyabrya str., Voronezh 394006, Russia), tel.: +7 (473)243-77-29, e-mail: [email protected]
Evgeniy A. Ishchenko, student, Voronezh State Technical University (84 20-letiya Oktyabrya str., Voronezh 394006, Russia), tel.: +7 (473)243-77-29, e-mail: [email protected]
Ivan A. Zelenin, Assistant Professor, Voronezh State Technical University (84 20-letiya Oktyabrya str., Voronezh 394006, Russia), tel.: +7 (473)243-77-29
Elizaveta V. Papina, student, Voronezh State Technical University (84 20-letiya Oktyabrya str., Voronezh 394006, Russia), tel. +7 (473)243-77-29, e-mail: [email protected]
Ekaterina D. Men'shikova, student, Voronezh State Technical University (84 20-letiya Oktyabrya str., Voronezh 394006, Russia), tel.: +7 (473)243-77-29, e-mail: [email protected]
Sergey I. Derevyanin, student, Voronezh State Technical University (84 20-letiya Oktyabrya str., Voronezh 394006, Russia), tel.: +7 (473)243-77-29, e-mail: [email protected]
