Контакты
Подписка
МЕНЮ
Контакты
Подписка

В рубрику "Спутниковая связь" | К списку рубрик  |  К списку авторов  |  К списку публикаций

О расположении излучателей в сканирующих антенных решеткахAbout the location of the radiation elements in a scanning antenna arrays

В работе рассмотрена возможность электронного сканирования диаграммой направленности секторной антенной решетки при обеспечении заданного уровня боковых лепестков (см., например, Рекомендации МСЭ-R F.1336-4) за счет специального подбора взаимного положения излучателей. Показано, что в неэквидистантной линейной решетке имеется дополнительный инструмент полезного воздействия на ее направленные свойства при сканировании луча.
The paper considers the possibility of electron-beam scanning of the sector antenna array with a given level of side lobes (see, for example, Recommendation ITU-R F.1336-4) due to a special choice of the mutual position of the emitters. It is shown that in the non-equidistant linear array there is an additional tool of useful influence on its directional properties when scanning the beam.
Александр Эйдус
Генеральный директор ЗАО "ВИСАТ-ТЕЛ", к.т.н.
Alexandr Eydus
General Director JSC "VISAT-TEL", Ph.D.
Ключевые слова:
антенная решетка, сканирование, сотовая связь
Keywords:
antenna array, scanning, cellular communication

Введение

В настоящее время сканирующие антенные решетки (АР) широко применяются как в радиолокационной технике, так и в системах связи. Применение сканирующих АР в системах связи имеет свои особенности. Наиболее проблемными вопросами для применения АР в наземных системах связи является обеспечение заданного уровня огибающей боковых лепестков и достижение приемлемых ценовых показателей. Одной из перспективных областей для применения АР со сканированием луча являются сотовые системы 4G/5G. Например, задача сканирующей АР в составе базовой станции – обеспечить оптимизацию распределения ее емкости в зоне обслуживания в зависимости от трафика, генерируемого для абонентов и абонентами.

В ряде случаев секторные антенны базовых станций для оптимизации зоны обслуживания и минимизации помех от соседних базовых станций механически (см. рис. 1) устанавливаются таким образом, чтобы направление максимума излучения их диаграммы направленности (ДН) составляло отрицательный угол с горизонтом (угол зависит от высоты подвеса антенны и обычно не превышает 15 град., [1]). Однако в процессе эксплуатации может оказаться, что этот угол целесообразно изменить или создать условия для его оптимизации в зависимости от складывающегося в данный момент времени распределения абонентов.


Кроме того, существуют требования СанПиН в санитарной зоне. Выполнение этих требований также может быть связано с регулированием направления максимального излучения и минимизацией уровня боковых лепестков.

В данной работе рассматривается возможность электронного сканирования диаграммой направленности секторной антенны при обеспечении низкого уровня боковых лепестков, оговоренного в [1], за счет специального подбора распределения положения излучателей. По сути, за счет неэквидистантности линейной решетки появляется дополнительный инструмент полезного воздействия на ее направленные свойства.

Расположение излучателей в сканирующих антенных решетках

Как известно [2, 3, 4, 5], в линейных АР (см. рис. 2) обычно применяется линейная фазовая функция поля возбуждения излучателей решетки, сканирующей в заданном секторе углов.


Для реализации линейной фазы излучателей применяются дискретные фазовращатели. Фазовращатели характеризуются собственными потерями, величина которых оказывает влияние на энергетический потенциал системы в целом. Чем больше наклон линейной фазовой функции, тем больше разрядов фазовращателей потребуется для реализации. Увеличение разрядности фазовращателей приводит к увеличению собственных потерь в них. По этой причине целесообразно применять схемы АР с малым наклоном фазовой функции. Как будет показано ниже, уменьшить наклон фазовой функции возможно, если сокращать (до определенного предела) расстояния между излучателями АР.

Сектор угла сканирования Θс АР связан с наклоном Δφ линейной фазовой функции и расстоянием d / λ  -длина волны) между центрами излучателями соотношением (1) [1]

На рис. 3 приведен график Θс в зависимости от Δφ при разных значениях d/λ


Из (1), в частности, следует, что чем меньше d / λ, тем шире сектор сканирования при фиксированном наклоне Δψ фазовой функции. Это обстоятельство целесообразно учитывать в сканирующих АР, где разность фаз между крайними излучателями в решетке (производная фазовой функции) может оказаться значительной, что может привести к снижению качества антенны (из-за потерь в многоразрядных фазовращателях).

В то же время существуют два обстоятельства, ограничивающие минимальное расстояние между излучателями в АР:

  • для слабонаправленных излучателей расстояние между ними ограничено границей ближней зоны, в которой основным является квазистационарное поле [6]. Если обозначить границу ближней зоны как rб (rб = λ / 2π), то d > rб.
  • другое ограничение связано с физическими размерами излучателя. Если минимальный линейный размер излучателя lмин, то d > lмин.

Кроме того, выбором d / λ можно обеспечить минимальный уровень бокового излучения АР. Это особенно важно для антенн, применяемых в системах связи. Требованию минимизации бокового излучения удовлетворяют неэквидистантные АР [7, 8, 9, 10], для которых реализация линейной фазовой функции имеет особенности.

В то же время для d / λ существует и ограничение "сверху". Из условия существования одного главного максимума ДН в области действительных углов расстояние между излучателями выбирается из условия d1 < λ/ (1 + sin Θс) для АР с излучателями в узлах квадратной сетки и из условия d1 <λ / (1 + sin Θс)), d2 < 2 3 λ / (1 + sin Θс)для АР с излучателями в узлах треугольной сетки. Стандартное значение d/λ = 0,5[11].


На рис. 4 приведены ДН линейной АР, рассчитанные по формулам (2, 3) для двух значений d /λ = 0,15 и 0,5. АР размером L /λ = 4,5 и усилением 9,5 дБ, сканирует в секторе углов 0 < Θс < 3 0 град. (угол сканирования здесь равен 5 8о, гдеΘо - полуширина луча ДН АР).

где fи(Θ) - диаграмма излучателя, выбрана равной cos Θ,

Fn(Θ) - множитель решетки имеет вид

 

где k = 2π / n , dn - расстояния между центрами излучателей решетки (см. рис. 1), Θ - направление на точку наблюдения, N - число излучателей АР.

Расчеты сделаны в предположении отсутствия взаимодействия между излучателями в АР.


Как следует из рис. 4, чем меньше d/λ, тем меньший требуется наклон Δφ фазовой функции для сканирования в секторе углов 30 град. (см. также рис. 3).


На рис. 5 приведены ДН для неэквидистантной АР с низким (< - 30 дБ) уровнем боковых лепестков (см. рис. 5а) и ДН этой АР, сканирующей в секторе углов 30 град. (см. рис. 5б). При расчете учтена особенность реализации линейной фазовой функции.


Сравнение результатов рис. 4 и рис. 5 показывает, что низкий уровень первых боковых лепестков в неэквидистантной АР сохраняется и при сканировании (разница с обычной АР составляет примерно 15 дБ).


Потери усиления антенны при сканировании на угол Θс = 30 град., как видно на рис. 4, 5, составляют 1,25 дБ, что соответствует уменьшению направленности излучателя при Θ= 30 град. и диаграмме направленности излучателя cos Θ.


Похожая ситуация - для угла сканирования Θс = 60 град., за исключением потерь усиления, которые в этом случае очевидно составляют 6 дБ.

Выводы

  1. Для широкоугольного сканирования целесообразно выбирать d / λ в диапазоне 0,15…0,25.
  2. При допустимых потерях усиления порядка 1 дБ предельный угол сканирования составляет 30 град. (при условии, что направленность излучателя аппроксимируется функцией вида cos θ).
  3. Целесообразно применять неэквидистантные АР, которые могут обеспечить меньший уровень боковых лепестков (по сравнению с обычной АР) при сканировании.

Литература

  1. Рекомендации МСЭ-R F.1336-4.
  2. Воскресенский Д.И., Степаненко В.И., Филиппов В.С. и др. Устройства СВЧ и антенны: Проектирование фазированных антенных решеток : учеб. пособие для вузов // под ред. Д. И. Воскресенского. – М.: Радиотехника. – 2012. – С. 744.
  3. Старк Л.. Теория фазированных антенных решеток СВЧ-диапазона: Обзор // ТИИЭР. – 1974. – Т 62. – № 12.
  4. Elliott Re, Stern G. A new technique for shaped beam synthesis of equispaeed arrays, IEEE Trans Antennas and Propagation. – 1984. – V. 32. – № 10.
  5. Хансен Р. С. Фазированные антенные решетки //Пер. с англ. под ред. А. И. Синани. – М.: Техносфера. – 2012. – С. 558.
  6. Вихлянцев П.С., Петров В.В., Симонов М.В., Андри-енко А. А. Определение границ ближней и дальней зоны при измерениях ПЭМИ // Журнал "Конфидент". – № 4–5. – 2002. – С. 36–39.
  7. Эйдус А.Г. Синфазная антенная решетка с низким уровнем боковых лепестков // Техника средств связи. Серия "Техника радиосвязи". – Вып. 5. – 1991.
  8. Останков А.В., Антипов С.А., Сахаров Ю.С. Минимаксный уровень бокового излучения рав-ноамплитудной неэквидистантной антенной решетки // Вестник Воронежского государственного технического университета. – 2013. – Т. 9. – № 4. – С. 8–11.
  9. Анпилогов В.Р., Шишлов А.В., Эйдус А.Г. Анализ систем LEO-HTS и реализуемости фазированных антенных решеток для абонентских терминалов // Технологии и средства связи. – № 6- 2. – 2014. Специальный выпуск "Спутниковая связь и вещание – 2015". – С. 14–26.
  10. В.Р. Анпилогов В.Р., Эйдус А.Г. Неэквидистантная антенная решетка с низким уровнем боковых лепестков // Технологии и средства связи. – № 2. – 2017. – С. 40–42.
  11. C. Beckman, B. Lindmark he Evolution of Base Station Antennas for Mobile Communications Electromagnetics in Advanced Applications, 2007. ICEAA 2007. International Conference on Electromagnetics in Advanced Applications.

Опубликовано: Журнал "Технологии и средства связи" #5, 2017
Посещений: 766


  Автор
Александр Эйдус

Александр Эйдус

Генеральный директор ЗАО “ВИСАТ-ТЕЛ", к.т.н., доцент

Всего статей:  29

В рубрику "Спутниковая связь" | К списку рубрик  |  К списку авторов  |  К списку публикаций