В.М. Селезнев

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

Важными элементами будущих гетерогенных сетей (HetNet) сотовой связи 5-го поколения должны стать малогабаритные релейные станции миллиметрового диапазона, обеспечивающие передачу большого объема данных между базовыми макро- и микростанциями со скоростями до нескольких десятков гигабит в секунду. Такими скоростями обладают системы Wi-Fi стандартов IEEE 802.11ad и IEEE 802.11ay, работающие в полосе частот от 57 до 71 ГГц. Однако развертывание беспроводных мобильных сетей миллиметрового диапазона в городской среде предъявляет особые требования к приемопередающему антенному оборудованию. В частности, используемые в радиорелейных станциях антенны должны иметь высокий коэффициент усиления в широкой полосе частот и обладать функцией электронного сканирования лучом.

В работе рассматривается сканирующая антенная система диапазона 57,24…65,88 ГГц, содержащая тороидально-эллипти-ческую линзу из высокомолекулярного полиэтилена, интегрированную с облучателем в виде компактной фазированной антенной решетки (ФАР). Известно, что подобные антенны способны фокусировать излучение облучателя и осуществлять широкоугольное сканирование лучом в азимутальной плоскости. В данной работе основной акцент сделан на исследовании частотных свойств тороидально-эллиптической линзовой антенны, поскольку это представляет практический интерес для широкополосных приложений стандартов IEEE 802.11ad и IEEE 802.11ay.

В ходе проектирования было принято решение интегрировать облучатель (ФАР) на внутренней не преломляющей поверхности эллиптической линзы с вертикальной линейной апертурой 70 мм (малой осью эллипса). Изготовленный прототип антенны включал в себя линзу, выточенную на станке с числовым программным управлением, ФАР с теплоотводящим радиатором, а также различные крепежные элементы. Применяемая ФАР вставлялась в корпус из оргстекла, к одной стороне которого вплотную примыкала линза, а к другой – теплоотводящий радиатор. Все перечисленные элементы скреплялись в единую конструкцию.

В качестве ФАР использовался антенный модуль (чип) диапазона 57,24…65,88 ГГц, разработанный компанией Интел. Данный чип является полноценным приемопередающим модулем, в котором антенная решетка из 16 активных микрополосковых элементов интегрирована с радиочастью, изготовленной по КМОП-технологии.

Результаты экспериментальных исследований и их сравнение с аналогами показали, что представленная интегрированная тороидально-эллиптическая линзовая антенна сочетает в себе много достоинств. В частности, рассмотренное решение имеет простую, эргономичную и дешевую конструкцию. Однако главные преимущества данной антенны - широкий рабочий диапазон частот 57,24…65,88 ГГц (полоса 8,64 ГГц), высокий коэффициент усиления 21,8–24,8 дБи и умеренно широкий сектор сканирования ±35°, потери в котором не превышают 3 дБ.

Представленная линзовая антенна может применяться в реконфигурируемых транспортных сетях из релейных станций миллиметрового диапазона, передающих данные на расстояния 100–150 м со скоростью 2,5–4,62 Гбит/с.

Селезнев В.М. Широкополосная сканирующая линзовая антенна для приложений 5G миллиметрового диапазона // Радиотехника. 2022. Т. 86. № 6. С. 122−130. DOI: https://doi.org/10.18127/j00338486-202206-15

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. DOI: 10.1587/transele.E100.C.790.
3. Artemenko A., Mozharovskiy A., Maltsev A., Maslennikov R., Sevastyanov A., Ssorin V. Experimental Characterization of E-Band Two-Dimensional Electronically Beam-Steerable Integrated Lens Antennas. IEEE Antennas and Wireless Propagation Letters. 2013. V. 12.
   P. 1188–1191. DOI: 10.1109/LAWP.2013.2282212.
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. Saleem M.K., Vettikaladi H., Alkanhal M.A.S., Himdi M. Lens Antenna for Wide Angle Beam Scanning at 79 GHz for Automotive
   Short Range Radar Applications. IEEE Transactions on Antennas and Propagation. 2017. V. 65. № 4. P. 2041–2046.
   DOI: 10.1109/TAP.2017.2669726.
6. Li Y., Ge L., Chen M., Zhang Z., Li Z., Wang J. Multibeam 3-D-Printed Luneburg Lens Fed by Magnetoelectric Dipole Antennas for
   Millimeter-Wave MIMO Applications. IEEE Transactions on Antennas and Propagation. 2019. V. 67. № 5. P. 2923–2933.
   DOI: 10.1109/TAP.2019.2899013.
7. 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.
8. 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.
9. 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.
10. Nikfalazar M. et al. Beam Steering Phased Array Antenna With Fully Printed Phase Shifters Based on Low-Temperature Sintered
    BST-Composite Thick Films. IEEE Microwave and Wireless Components Letters. 2016. V. 26. № 1. P. 70–72.
    DOI: 10.1109/LMWC.2015.2505633.
11. Zhang W., Liu Y., Jia Y. Circularly Polarized Antenna Array with Low RCS Using Metasurface-Inspired Antenna Units. IEEE Antennas and Wireless Propagation Letters. 2019. V. 18. № 7. P. 1453–1457. DOI: 10.1109/LAWP.2019.2919716.
12. Jafargholi A., Jafargholi A., Choi J.H. Mutual Coupling Reduction in an Array of Patch Antennas Using CLL Metamaterial Superstrate for MIMO Applications. IEEE Transactions on Antennas and Propagation. 2019. V. 67. № 1. P. 179–189. DOI: 10.1109/TAP.2018.2874747.
13. Xi Q., Ma C., Li H., Zhang B., Li C., Ran L. A Reconfigurable Planar Fresnel Lens for Millimeter-Wave 5G Frontends. IEEE Transactions on Microwave Theory and Techniques. 2020. V. 68. № 11. P. 4579–4588, DOI: 10.1109/TMTT.2020.3025337.
14. Tang X.L., Zhang Q., Chen Y., Liu H. Single-Layer Fixed-Frequency Beam-Scanning Goubau-Line Antenna Using Switched PIN Diodes. IEEE Microwave and Wireless Components Letters. 2019. V. 29. № 6. P. 430–432. DOI: 10.1109/LMWC.2019.2913779.
15. 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.
16. 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.
17. 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.
18. 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.
19. Milligan T.A. Modern Antenna Design. 2nd ed., Wiley-IEEE Press. 2005. 633 p.
20. 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.
21. Yang F., Wu X., Zhou J., Shao H. Beam-Scanning Lens Antenna Based on Corrugated Parallel-Plate Waveguides. IEEE Antennas and Wireless Propagation Letters. 2018. V. 17. № 7. P. 1296–1299. DOI: 10.1109/LAWP.2018.2842742.
22. Wang H.-F., Wang Z.-B., Wu Z.-H., Zhang Y.-R. Beam-Scanning Lens Antenna Based on Elliptical Paraboloid Phase Distribution Metasurfaces. IEEE Antennas and Wireless Propagation Letters. 2019. V. 18. № 8. P. 1562–1566. DOI: 10.1109/LAWP.2019.2922695.
23. Karki S.K., Ala-Laurinaho J., Viikari V. Low-Profile Scanloss-Reduced Integrated Metal-Lens Antenna. IEEE Transactions on Antennas and Propagation. Feb. 2022. V. 70. № 2. Р. 876-887. DOI: 10.1109/TAP.2021.3111192.