В.М. Селезнев

ННГУ им. Лобачевского (г. Нижний Новгород, Россия)

Один из наиболее перспективных подходов к построению систем мобильной связи 5-го поколения (5G) - развертывание гетерогенных сетей (HetNet), в котором современные 4G-технологии доступа в Интернет, работающие в диапазонах частот ниже 6 ГГц, интегрированы с новыми широкополосными системами связи миллиметрового (ММ) диапазона длин волн. Однако такой подход в городских условиях, сложных для распространения сигналов ММ-диапазона, предъявляет особые требования к антенным системам: антенны, используемые на базовых станциях и точках доступа, должны иметь высокий коэффициент усиления (КУ) в широкой полосе частот и обладать функцией электронного сканирования лучом.

В работе представлена сканирующая антенна диапазона 57,24-65,88 ГГц, содержащая плоскую отражательную решетку, изготовленную по печатной технологии, и облучатель в виде компактной фазированной антенной решетки (ФАР). Возможность электронного управления лучом в азимутальной плоскости реализуются в представленной антенне благодаря ФАР и особой конфигурации отражательной решетки. Массив пассивных отражателей на плоской печатной плате сформирован в виде прямоугольной матрицы с одинаковыми столбцами. Такую структуру можно считать аналогом классического цилиндрического отражателя, фокусирующего излучение ФАР в плоскости угла места без существенного искажения формы луча в азимутальной плоскости. Прототип антенны включает в себя плоский отражатель в виде печатной платы размером 187×237 мм (Ш×В), ФАР с теплоотводящим радиатором, а также различные крепежные элементы. В качестве ФАР, располагавшейся на расстоянии 200 мм от центра отражательной решетки, использован антенный модуль (чип), разработанный компанией Интел.

Проведенные измерения в рабочем диапазоне частот 57,24-65,88 ГГц, разделенном в соответствии со стандартами IEEE 802.11ad и IEEE 802.11ay на четыре канала шириной 2,16 ГГц каждый показали, что КУ изменялся от 20,1 до 24,5 дБи.

Возможности электронного управления лучом оценивались путем последовательного переключения ФАР между тремя азимутальными секторами 0, 10° и -10°. Согласно полученным данным полный сектор покрытия в азимутальной плоскости с учетом ширины лучей по уровню половинной мощности (-3 дБ) составил ±15°. При бо́льших углах отклонения главного луча от центрального положения наблюдалась быстрая деградация КУ, которая обусловлена малой шириной отражательной решетки из-за ограничений по технологическим возможностям фабрики-изготовителя. Однако с помощью электромагнитного моделирования в программе CST Microwave studio установлено, что сектор сканирования спроектированной антенны в азимутальной плоскости потенциально может составлять ±35°.

Согласно оценкам, полученным в ходе экспериментальных исследований тороидально-эллиптических линзовых антенн со схожими характеристиками излучения, скорость передачи данных в реконфигурируемой транспортной сети из релейных станций, расположенных друг от друга на расстоянии 100–150 м и содержащих антенны предложенного типа, может составлять 2,5–4,62 Гбит/с.

Селезнев В.М. Сканирующая антенна с плоской отражательной решеткой, предназначенная для беспроводных систем связи V-диапазона // Радиотехника. 2022. Т. 86. № 2. С. 115−123. DOI: https://doi.org/10.18127/j00338486-202203-11

1. Okasaka S. et al., Proof-of-Concept of a Millimeter-Wave Integrated Heterogeneous Network for 5G Cellular. Sensors. 2016.
   DOI: 10.3390/s16091362.
2. Sakaguchi K. et al. Where, When, and How mmWave is Used in 5G and Beyond. IEICE Transactions on Electronics. 2017.
   V. E100.C. № 10. P. 790–808. E100. P.790. DOI: 10.1587/transele.
3. Maltsev A., Sadri A., Pudeyev A., Bolotin I. Highly Directional Steerable Antennas: High-Gain Antennas Supporting User Mobility or Beam Switching for Reconfigurable Backhauling. IEEE Vehicular Technology Magazine. 2016. V. 11. № 1. P. 32–39.
   DOI: 10.1109/MVT.2015.2508318.
4. Lamminen A. E. I. et al., Beam-Switching Dual-Spherical Lens Antenna with Low Scan Loss at 71–76 GHz. IEEE Antennas and Wireless Propagation Letters. 2018. V. 17. № 10. P. 1871–1875. DOI: 10.1109/LAWP.2018.2868543.
5. Hill T.A., Kelly J.R., Khalily M., Brown T.W.C. Cascaded Fresnel Lens Antenna for Scan Loss Mitigation in Millimeter Wave Access Points. IEEE Transactions on Antennas and Propagation. 2020. V. 68. № 10. P. 6879–6892. DOI: 10.1109/TAP.2020.2992837.
6. Maltsev A., Lomayev A., Pudeyev A., Bolotin I., Bolkhovskaya O., Seleznev V. Millimeter-wave Toroidal Lens-Array Antennas Experimental Measurements. In 2018 IEEE International Symposium on Antennas and Propagation & USNC/URSI National Radio Science Meeting. Boston. MA. USA. 2018. P. 607–608. DOI: 10.1109/APUSNCURSINRSM.2018.8608633.
7. Maltsev A., Bolkhovskaya O., Seleznev V. Scanning Toroidal Lens-Array Antenna with a Zoned Profile for 60 GHz Band. IEEE Antennas and Wireless Propagation Letters. 2021. V. 20. № 7. P. 1150–1154. DOI: 10.1109/LAWP.2021.3073913.
8. Nayeri P., Yang F., Elsherbeni A.Z. Bifocal Design and Aperture Phase Optimizations of Reflectarray Antennas for Wide-Angle
   Beam Scanning Performance. IEEE Transactions on Antennas and Propagation. 2013. V. 61. № 9. P. 4588–4597.
   DOI: 10.1109/TAP.2013.2264795.
9. Li C., Xu S., Yang F., Li M. Design and Optimization of a Mechanically Reconfigurable Reflectarray Antenna with Pixel Patch Elements Using Genetic Algorithm. In 2019 IEEE MTT-S International Wireless Symposium (IWS). Guangzhou, China. 2019. P. 1–3.
   DOI: 10.1109/IEEE-IWS.2019.8804092.
10. Mei P., Zhang S., Pedersen G. F. A Low-Cost, High-Efficiency and Full-Metal Reflectarray Antenna with Mechanically 2-D Beam-Steerable Capabilities for 5G Applications. IEEE Transactions on Antennas and Propagation. 2020. V. 68. № 10. P. 6997–7006.
    DOI: 10.1109/TAP.2020.2993077.
11. Kamoda H., Iwasaki T., Tsumochi J., Kuki T., Hashimoto O. 60-GHz Electronically Reconfigurable Large Reflectarray Using Single-Bit Phase Shifters. IEEE Transactions on Antennas and Propagation. 2011. V. 59. № 7. P. 2524–2531. DOI: 10.1109/TAP.2011.2152338.
12. Karnati K.K., Trampler M.E., Gong X. A Monolithically BST-integrated Ka-Band Beamsteerable Reflectarray Antenna. IEEE Transactions on Antennas and Propagation. 2017. V. 65. № 1. P. 159–166. DOI: 10.1109/TAP.2016.2627007.
13. Li X. et al. Broadband Electronically Scanned Reflectarray Antenna With Liquid Crystals. IEEE Antennas and Wireless Propagation
    Letters. 2021. V. 20. № 3. P. 396–400. DOI: 10.1109/LAWP.2021.3051797.
14. Encinar J.A. Design of Two-Layer Printed Reflectarrays Using Patches of Variable Size. IEEE Transactions on Antennas and Propagation. 2001. V. 49. № 10. P. 1403–1410. DOI: 10.1109/8.954929.
15. Visentin T., Keusgen W., Weiler R. Dual-Polarized Square-Shaped Offset-Fed Reflectarray Antenna with High Gain and High Bandwidth in the 60 GHz Domain. In 2015 9th European Conference on Antennas and Propagation (EuCAP). Lisbon. Portugal. 2015. P. 1–5.
16. Pan H.K., Horine B.D., Ruberto M., Ravid S. Mm-wave Phased Array Antenna and System Integration on Semi-Flex Packaging. In 2011 IEEE International Symposium on Antennas and Propagation (APSURSI). Spokane. WA. USA. 2011. P. 2059–2062.
    DOI: 10.1109/APS.2011.5996913.
17. Bolkhovskaya O., Maltsev A., Seleznev V., Bolotin I. Cost-efficient RAA Technology for Development of the High-Gain Steerable An-tennas for mmWave Communications. In Machine Learning and Artificial Intelligence. 2020. V. 332. P. 346–353.
    DOI: 10.3233/FAIA200800.
18. Yang J., Shen Y., Wang L., Meng H., Dou W., Hu S. 2-D Scannable 40-GHz Folded Reflectarray Fed by SIW Slot Antenna in Single-Layered PCB. IEEE Transactions on Microwave Theory and Techniques. 2018. V. 66. № 6. P. 3129–3135.
    DOI: 10.1109/TMTT.2018.2818698.