В. М. Селезнев1, О. В. Болховская2, А. А. Мальцев3
1–3 Нижегородский государственный университет им. Н.И. Лобачевского (г. Нижний Новгород, Россия)

В настоящее время вопрос повышения пропускной способности беспроводных систем связи становится все более актуальным вследствие появления новых мультимедийных услуг, в числе которых сервисы дополненной и виртуальной реальности (AR/VR), потоковое вещание видео ультравысокой четкости (UHD), а также различные технологии интернета вещей IoT. В связи с этим новые системы связи пятого поколения (5G) должны обеспечивать скорость передачи данных до нескольких десятков гигабит в секунду. Такие скорости могут быть достигнуты благодаря переходу систем связи в миллиметровый диапазон частот и особой гетерогенной архитектуре сетей.

Современная концепция построения мобильных сотовых сетей LTE-Rel15 и 5G NR подразумевает развертывание в зонах покрытия существующих макросот в местах большого скопления пользователей (hot-spots) дополнительных малых сот миллиметрового диапазона длин волн с радиусом действия до 50–100 м. Развертывание таких гетерогенных сетей в сложных для распространения радиосигналов миллиметрового диапазона городских условиях предъявляет особые требования к антенным системам. Используемые на малых базовых станциях и точках доступа антенны должны иметь диаграммы направленности специальной формы, высокий коэффициент усиления и возможность сканирования для отслеживания мобильных пользователей.

В данной статье представлены результаты разработки трех сканирующих антенных систем диапазона 60 ГГц с плоскими отражательными решетками из пассивных элементов, формирующих секторную, остронаправленную и косекансную диаграммы направленности (ДН). Отражательные решетки были синтезированы с помощью итерационного метода, в котором эталонная амплитудная ДН принадлежала к классу целых функций экспоненциального типа. При этом в итерационном алгоритме использовались оригинальные эталонные функции фазовых диаграмм, с помощью которых можно получить более точное приближение к требуемой форме главного луча. Электромагнитное моделирование разработанных антенных систем в CST Microwave studio показало, что предложенный модифицированный итерационный метод фазового синтеза пассивных отражательных решеток позволяет уменьшить число итераций и повысить точность аппроксимаций.

Согласно результатам моделирования, рассчитанная форма главных лучей и ДН антенных систем в целом соответствуют заданным эталонным математическим моделям, при этом рабочая полоса частот у всех рассмотренных решеток соответствует ширине основного канала стандартов IEEE 802.11ad и IEEE 802.11ay 2,16 ГГц. Разработанные антенные системы имеют простую конструкцию, низкую стоимость изготовления, а также возможность электронного сканирования главного луча в азимутальной плоскости в секторе до 30° (±15°). Возможность электронного управления лучом в азимутальной плоскости реализуется в заявленных антеннах благодаря компактной ФАР, используемой в качестве облучателя, и особым конфигурациям отражательных решеток. Массивы пассивных отражателей на плоских печатных платах были сформированы в виде прямоугольных матриц с одинаковыми столбцами. Такие структуры можно считать аналогами классических цилиндрических отражателей, формирующих заданные ДН в плоскости угла места без существенного искажения формы лучей в азимутальной плоскости.

Потенциальная область использования разработанных сканирующих антенных систем включает в себя точки доступа в интернет в таких крупных объектах социальной инфраструктуры как торговые центры, аэропорты, железнодорожные вокзалы и т.д. Разработанная сканирующая антенная система с карандашной ДН может найти применение в небольших релейных станциях миллиметрового диапазона длин волн.

Селезнев В.М., Болховская О.В., Мальцев А.А. Разработка сканирующих антенных систем диапазона 60 ГГц с плоскими отражателями из пассивных микрополосковых элементов // Антенны. 2022. № 5. С. 30–48. DOI: https://doi.org/10.18127/ j03209601-202205-02

1. IEEE Standard for information technology – Telecommunications and information exchange between systems – Local and metropolitan area networks – Specific requirements – Part 11: Wireless LAN medium access control (MAC) and physical layer (PHY) specifications amendment 3: Enhancements for very high throughput in the 60 GHz band. IEEE Std 802.11ad-2012 (Amendment to IEEE Std 802.11-2012, as amended by IEEE Std 802.11ae-2012 and IEEE Std 802.11aa-2012). 2012. P. 1–628. DOI: 10.1109/IEEESTD.2012.6392842.
2. IEEE Standard for information technology – Telecommunications and information exchange between systems – Local and metropolitan area networks – Specific requirements – Part 11: Wireless LAN medium access control (MAC) and physical layer (PHY) specifications amendment 2: Enhanced throughput for operation in license-exempt bands above 45 GHz. IEEE Std 802.11ay-2021 (Amendment to IEEE Std 802.11-2020 as amendment by IEEE Std 802.11ax-2021). 2021. P. 1–768. DOI: 10.1109/IEEESTD.2021. 9502046.
3. 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.
4. Okasaka S., et al. Proof-of-concept of a millimeter-wave integrated heterogeneous network for 5G cellular // Sensors. 2016. V. 16. № 9. P. 1362. DOI: 10.3390/s16091362.
5. 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.
6. 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.
7. Maltsev A., Lomayev A., Pudeyev A., Bolotin I., Bolkhovskaya O., Seleznev V. Millimeter-wave toroidal lens-array antennas experimental measurements // 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.
8. 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.
9. 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.
10. 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 // 2015 9th European Conference on Antennas and Propagation (EuCAP). Lisbon, Portugal. 2015. P. 1–5.
11. Bolkhovskaya O., Maltsev A., Seleznev V., Bolotin I. Cost-efficient RAA technology for development of the high-gain steerable antennas for mmWave communications // Machine Learning and Artificial Intelligence. 2020. V. 332. P. 346–353. DOI: 10.3233/FAIA200800.
12. 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.
13. 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. V. 67. № 1. P. 179–189. 2019. DOI: 10.1109/TAP.2018.2874747.
14. Alibakhshikenari M., et al. Singular integral formulations for electrodynamic analysis of metamaterial-inspired antenna array // IEEE Antennas and Wireless Propagation Letters. 2021. V. 20. № 2. P. 179–183. DOI: 10.1109/LAWP.2020.3043380.
15. 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.
16. 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.
17. 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.
18. Arrebola M., Encinar J.A., Barba M. Multifed printed reflectarray with three simultaneous shaped beams for LMDS central station antenna // IEEE Transactions on Antennas and Propagation. 2008. V. 56. № 6. P. 1518–1527. DOI: 10.1109/TAP.2008.923360.
19. Thiel M., Menzel W. A multiple-beam sector antenna with a dual planar reflectarray arrangement // 2006 European Radar Conference. 2006. P. 53–56. DOI: 10.1109/EURAD.2006.280271.
20. 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.
21. 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.
22. 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.
23. 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.
24. Li W., Gao S., Zhang L., Luo Q., Cai Y. An ultra-wide-band tightly coupled dipole reflectarray antenna // IEEE Transactions on Antennas and Propagation. 2018. V. 66. № 2. P. 533–540. DOI: 10.1109/TAP.2017.2772311.
25. Li C., Xu S., Yang F., Li M. Design and optimization of a mechanically reconfigurable reflectarray antenna with pixel patch elements using genetic algorithm // 2019 IEEE MTT-S International Wireless Symposium (IWS). 2019. P. 1–3. DOI: 10.1109/IEEE-IWS.2019.8804092.
26. Nayeri P., Yang F., Elsherbeni A.Z. Design of single-feed reflectarray antennas with asymmetric multiple beams using the particle swarm optimization method // IEEE Transactions on Antennas and Propagation. 2013. V. 61. № 9. P. 4598–4605. DOI: 10.1109/ TAP.2013.2268243.
27. Niccolai A., Zich R., Beccaria M., Pirinoli P. SNO based optimization for shaped beam reflectarray antennas // 2019 13th European Conference on Antennas and Propagation (EuCAP). 2019. P. 1–4.
28. Niccolai A., Beccaria M., Zich R.E., Massaccesi A., Pirinoli P. Social network optimization based procedure for beam-scanning reflectarray antenna design // IEEE Open Journal of Antennas and Propagation. 2020. V. 1. P. 500–512. DOI: 10.1109/OJAP.2020.3022935.
29. Prado D.R., Arrebola M., Pino M.R., Las-Heras F. Improved reflectarray phase-only synthesis using the generalized intersection approach with dielectric frame and first principle of equivalence // International Journal of Antennas and Propagation. 2017. V. 2017. Article ID 3829390. DOI: 10.1155/2017/3829390.
30. Martinez-de-Rioja E., Vaquero Á.F., Arrebola M., Carrasco E., Encinar J.A., Achour M. Passive dual-polarized shaped-beam reflectarrays to improve coverage in millimeter-wave 5G networks // 2021 15th European Conference on Antennas and Propagation (EuCAP). 2021. P. 1–5. DOI: 10.23919/EuCAP51087.2021.9411196.
31. Зелкин Е.Г., Кравченко В.Ф., Пустовойт В.И. Синтез диаграмм направленности неэквидистантных антенных решеток атомарными функциями // Доклады Академии наук. 2001. T. 379. № 1. C. 42–46.
32. Dahlman E., Parkvall S., Skold J. 5G NR: The next generation wireless access technology / Academic Press is an imprint of Elsevier. 2018.
33. Vaskelainen L.I. Constrained least-squares optimization in conformal array antenna synthesis // IEEE Transactions on Antennas and Propagation. 2007. V. 55. № 3. P. 859–867. DOI: 10.1109/TAP.2007.891860.
34. Weng W., Yang F., Elsherbeni A.Z. Linear antenna array synthesis using Taguchi's method: A novel optimization technique in electromagnetics // IEEE Transactions on Antennas and Propagation. 2007. V. 55. № 3. P. 723–730. DOI: 10.1109/TAP.2007.891548.
35. Зелкин Е.Г., Кравченко В.Ф., Пустовойт В.И., Тимошенко В.В. Синтез плоского излучателя на основе атомарных функций // Доклады Академии наук. 2000. T. 374. № 1. C. 35–39.
36. Pan H.K., Horine B.D., Ruberto M., Ravid S. Mm-wave phased array antenna and system integration on semi-flex packaging // 2011 IEEE International Symposium on Antennas and Propagation (APSURSI). Spokane, WA, USA. 2011. P. 2059–2062. DOI: 10.1109/APS. 2011.5996913.
37. Селезнев В.М. Сканирующая антенна с плоской отражательной решеткой, предназначенная для беспроводных систем связи V-диапазона // Радиотехника. 2022. Т. 86. № 3. С. 115–123. DOI: 10.18127/j00338486-202203-11.
38. Селезнев В.М. Широкополосная сканирующая линзовая антенна для приложений 5G миллиметрового диапазона // Радиотехника. 2022. Т. 86. № 6. С. 122–130. DOI: 10.18127/j00338486-202206-15.