CC BY
127
Радиофизика
Вестник Нижегородского университета им. Н.И. Лобачевского, 2014, № 4 (1), с. 98-105
УДК 621.391, 621.396.677.85
ИССЛЕДОВАНИЕ ИНТЕГРИРОВАННЫХ ЛИНЗОВЫХ АНТЕНН С ДВУМЕРНЫМ ЭЛЕКТРОННЫМ СКАНИРОВАНИЕМ В МИЛЛИМЕТРОВОМ ДИАПАЗОНЕ ДЛИН ВОЛН
© 2014 г. А.В. Можаровский,1,2 А.А. Артеменко, 1,2 А.А. Мальцев, 1
Р. О. Масленников, 1,2 В.Н. Ссорин, 1,2 А.Г. Севастьянов1,2
1 Нижегородский госуниверситет им. Н.И. Лобачевского 2ООО «Радио Гигабит», Н. Новгород
andrey .mozharovskiy @wcc.unn.ru
Поступиле в редекцию 03.03.2014
Представлены результаты разработки и измерений интегрированных линзовых антенн, предназначенных для работы в системах радиосвязи миллиметрового диапазона длин волн. Разработанные линзовые антенны обеспечивают возможность двумерного электронного сканирования луча за счет переключения между 16 печатными облучателями, интегрированными на плоскую заднюю поверхность линз, выполненных из кварцевого стекла и имеющих диаметры 15 мм и 25 мм.
Ключевые слове: миллиметровый диапазон длин волн, линзовые антенны, печатные платы, электронное сканирование.
Введение
Тенденция значительного увеличения объема передаваемой информации в локальных беспроводных системах связи приводит к необходимости повышения скорости передачи данных вплоть до нескольких Гбит в секунду. Для достижения таких скоростей необходимо увеличить полосу передаваемого сигнала до сотен мегагерц и даже гигагерц, что возможно, например, при использовании несущих частот миллиметрового диапазона длин волн. Вследствие этого в последнее время широкое распространение получают системы радиосвязи, работающие в диапазонах частот от 50 до 100 ГГц. К ним относятся: системы локальной и персональной беспроводной связи диапазона 5766 ГГц (ШЬЛК/ШРЛК), системы радиовидения, а также радиорелейные линии диапазонов 60 ГГц и 71-76/81-86/92-95 ГГц.
Одной из особенностей распространения сигнала миллиметрового диапазона длин волн является наличие сильного затухания в атмосфере, а также практически полное поглощение при попадании на препятствия. Поэтому для компенсации такого затухания к антеннам систем связи миллиметрового диапазона предъявляются высокие требования по обеспечению высокого уровня коэффициента усиления, а также возможности электронного сканирования луча для адаптации к изменяющимся условиям канала связи и обеспечения мобильности пользователей. К настоящему времени были пред-
ложены различные подходы к реализации направленных сканирующих антенн миллиметрового диапазона длин волн. Наиболее очевидной является разработка фазированных антенных решеток [1], широко используемых в более низких диапазонах частот. Однако такой подход имеет существенный недостаток, заключающийся в необходимости одновременного управления набегом фазы миллиметрового сигнала на большом количестве элементов в фазированной антенной решетке, необходимом для обеспечения высокого значения коэффициента усиления. В качестве альтернативного более простого варианта для реализации антенны, удовлетворяющей указанным требованиям, рассматривается интегрированная линзовая антенна (ИЛА) [2].
В общем случае ИЛА состоит из однородной диэлектрической линзы и решетки переключаемых первичных облучателей, установленных на ее плоской задней поверхности, как это показано на рисунке 1. В каждый момент времени активен только один из первичных облучателей, излучение от которого фокусируется линзой, формируя узкий луч диаграммы направленности. Направление луча определяется положением активного облучателя относительно оптической оси линзы, а переключение между облучателями обеспечивает возможность электронного сканирования.
В настоящее время наблюдается значительный интерес к исследованию и практической реализации ИЛА с электронным сканированием. Так, результаты экспериментальных иссле-
дований для антенн с одномерным электронным сканированием для различных приложений представлены в работах [3, 4].
В рамках настоящей статьи рассмотрена разработка ИЛА с двумерным электронным сканированием по 16 фиксированным положениям луча. Разработанные ИЛА включают в себя полусферические с цилиндрическим продолжением линзы из кварцевого стекла (е = 3.8) и решетки из 16 первичных микрополосковых облучателей, реализованных на печатной плате совместно с системой подведения и переключения сигнала. Длины цилиндрических продолжений линз диаметрами D1 = 15 мм и D2 = 25 мм были оптимизированы для максимизации коэффициента направленного действия (КНД). Для переключения сигнала между облучателями были использованы пять полупроводниковых переключателей типа 1 в 4. Характеристики разработанных ИЛА были подтверждены с помощью полного электромагнитного моделирования в САПР CST Microwave Studio и при измерении изготовленных макетов.
Статья организована следующим образом. В разделе 1 описана конструкция разработанной ИЛА, приведено описание геометрии выбранных линз, а также элементов системы переключения сигнала и представлены результаты разработки отдельного планарного облучателя и расчет основных характеристик решетки переключаемых облучателей. В разделе 2 приведены результаты полного электромагнитного моделирования и результаты экспериментальных исследований разработанных и изготовленных ИЛА с двумерным электронным сканированием. В заключении представлены основные выводы, полученные в данной статье.
1. Описание конструкции разработанной линзовой антенны
Традиционно линзы для ИЛА имеют форму эллипсоида вращения, усеченного в точке фокуса. Из законов геометрической оптики хорошо известно, что если эксцентриситет эллипсоида e удовлетворяет соотношению e = 1/n,
где n - показатель преломления материала линзы, то геометрический и оптический фокусы эллипсоида совпадают. В этом случае излучение от первичного облучателя, установленного в фокусе линзы, имеет плоский фазовый фронт вне ее границ. Часто в качестве более простой в изготовлении альтернативы классическим эллиптическим линзам используются полусферические линзы с цилиндрическим продолжением [2], состоящие из полусферы диаметра D, выполненной совместно с цилиндрическим продолжением длины L. Хотя эффективная апертура полусферической линзы: с цилиндрическим продолжением несколько меньше, чем у эквивалентной ей эллиптической линзы, вариация длины цилиндрического продолжения позволяет увеличить КНД ИЛА для центральных лучей, а также уменьшить деградацию КНД ИЛА при отклонении луча [2].
В качестве линз для разработанной ИЛА были спроектированы полусферические с цилиндрическим продолжением линзы из кварцевого стекла (е = 3.8) диаметрами Dj = 15 мм и D2 = 25 мм. Длины цилиндрических продолжений были оптимизированы с помощью полного электромагнитного моделирования в САПР CST Microwave Studio для максимизации КНД ИЛА. Оптимизированные значения длины цилиндрических продолжений L\ = 5.5 мм и L2 = 9 мм были получены для меньшей и большей линзы соответственно [3].
В качестве первичного облучателя в решетке переключаемых облучателей ИЛА была использована разработанная ранее микрополосковая антенна с возбуждением через щелевую апертуру [5]. Антенна реализована на печатной плате, состоящей из трех уровней металлизации, разделенных слоями высокочастотного диэлектрического материала RO4003C (е = 3.55) со связующим материалом RO4450B (е = 3.54). Структура печатной платы и отдельного микро-полоскового облучателя представлена на рисунке 2. Все размеры указаны в миллиметрах.
Диэлектрическая проницаемость материала печатной платы близка к диэлектрической проницаемости кварцевого стекла, что позволяет уменьшить влияние поверхностных волн на границе раздела печатной платы и линзы. Основными преимуществами такой конструкции облучателя являются широкая полоса пропускания и малый уровень обратного лепестка диаграммы направленности вследствие наличия в структуре земляного металлизированного экрана.
Для разработанного микрополоскового об- оптимальному уровню в 8—10 дБ, определенно-
лучателя было проведено полное электромагнитное моделирование в предположении, что линза представляет собой бесконечное полупространство с заданной диэлектрической проницаемостью. Было получено, что разработанный облучатель согласован по уровню коэффициента отражения Бц = -10 дБ в полосе частот 73-94 ГГц, что составляет около 25% относительно центральной частоты. В рабочей полосе частот 73-94 ГГц разработанный облучатель обеспечивает в теле линзы из кварцевого стекла КНД в диапазоне 7.5-8.3 дБи. При этом значение ширины диаграммы направленности лежит в диапазоне 66°-77° в азимутальном сечении ф = 0° и 72°-86° в сечении ф = 90°. Такое значение ширины диаграммы направленности обеспечивает уровень спадания амплитуды электромагнитного поля к краям полусферической части линзы около 7-9 дБ, что близко к
му в [6] для максимизации КНД ИЛА.
Отдельные первичные микрополосковые облучатели в разработанной ИЛА формируют решетку с помощью полупроводниковых переключателей. При этом количество облучателей в решетке определяет число фиксированных положений луча и, соответственно, диапазон углов сканирования ИЛА. На рисунке 3 показана структура разработанной решетки переключаемых облучателей и системы переключения сигнала.
Для разработанной ИЛА количество первичных облучателей было выбрано равным 16. Переключение между облучателями осуществляется с помощью 5 полупроводниковых переключателей TGS4306-FC (типа 1 в 4) производства компании TriQuint Semiconductors. Данные полупроводниковые переключатели предназначены для работы в диапазоне частот 70-90 ГГц. При этом изоляция между соседними выходами
переключателя составляет около 20 дБ, а потери на прохождение 3-3.5 дБ.
Представленная на рисунке 3 структура решетки определена для наиболее эффективного подведения сигнала к каждому облучателю с помощью микрополосковых линий с импедансом 50 Ом, расположенных на одном слое печатной платы. При такой конструкции решетки полупроводниковые переключатели и подводящие микро-полосковые линии оказываются на противоположной стороне печатной платы от излучающих микрополосковых элементов, что упрощает процесс установки печатной платы на линзу.
Окружностями на рисунке 3 показаны угловые области покрытия при работе каждого из облучателей. Выбор расстояния между облучателями осуществлен исходя из необходимости перекрытия основных лучей диаграммы направленности ИЛА по некоторому небольшому уровню по отношению к максимуму в центральном направлении. При этом расстояния между облучателями не могут быть слишком малыми для соблюдения достаточного уровня изоляции между соседними облучателями. С помощью полного электромагнитного моделирования было получено (см. рис. 4), что при выборе расстояния между облучателями 1.5 мм уровень изоляции между соседними облучателями превышает 20 дБ во всем исследуемом диапазоне частот. При этом перекрытие лучей от соседних облучателей в решетке происходит на уровне около -4 дБ от максимума, что позволяет осуществлять близкое к равномерному сканирование во всем угловом секторе. Таким образом, в решетке, представленной на рисунке 3, максимальное смещение облучателя от оси линзы равно 3.27 мм, что, согласно моделированию, обеспечивает диапазон углов сканирования около 28° и 19° для линз диаметром А = 15 мм и П2 = 25 мм соответственно.
2. Моделирование и измерения ИЛА
Полное электромагнитное моделирование разработанных ИЛА с печатной платой, содержащей решетку из 16 первичных переключаемых облучателей и установленной на плоской задней поверхности полусферических с цилиндрическим продолжением линз из кварцевого стекла (е = 3.8), было проведено в САПР CST Microwave Studio. При моделировании входные возбуждающие порты для каждого облучателя были заданы на микрополосковых линиях в местах, соответствующих выходам первого по направлению от облучателя полупроводникового переключателя. Такое расположение возбуждающих портов позволяет учитывать различные эффекты, такие как, например, взаимное влияние близко расположенных микрополосковых линий на печатной плате, и, тем самым, повысить точность проводимого электромагнитного моделирования. На рисунке 5 представлены результаты моделирования коэффициентов отражения и прохождения для одного выбранного облучателя в центре решетки (нумерация облучателей приведена на рисунке 3). Как видно из рисунка 5, в полосе частот 73-94 ГГц выбранный облучатель согласован по уровню коэффициента отражения S66 = -14 дБ. При этом уровень взаимной изоляции с окружающими облучателями составляет не менее 20 дБ.
Для проведения экспериментальных исследований были изготовлены полусферические с цилиндрическим продолжением линзы из кварцевого стекла диаметрами D1 = 15 мм и D2 = 25 мм. Оптимизированные длины цилиндрических продолжений для этих линз равны соответственно L1 = 5.5 мм и L2 = 9 мм. Решетка из 16 переключаемых микрополосковых облучателей была изготовлена на многослойной печатной плате из высокочастотного материала R04003C. Взаимная фиксация изготовленных линз и печатных плат осуществлялась с помощью специальных удерживающих устройств из оргстекла. На печатную плату были установлены 5 полупроводниковых переключателей TGS4306-FC (1 в 4) производства компании TriQuint Semiconductors.
Для подведения сигнала к разработанной ИЛА был использован высокочастотный коаксиальный коннектор 11923A производства компании Agilent Technologies. Данный коаксиальный коннектор предназначен для подведения сигнала непосредственно на микрополосковую линию на печатной плате с уровнем потерь на прохождение не более 1 дБ в диапазоне частот 0-110 ГГц. Для надежного электрического контакта между внешним проводником коаксиального коннектора и внутренним земляным слоем
яний
металлизации печатной платы ее торцевая часть была частично покрыта дополнительным слоем металлизации [7]. На рисунке 6 представлены фотографии изготовленной линзы диаметром D2 = 25 мм в сборе с печатной платой с решеткой из 16 облучателей, которые закреплены вместе с подводящим коаксиальным коннектором в специальных удерживающих устройствах из оргстекла и металлических креплениях, рекомендованных производителем коаксиального коннектора для его надежной фиксации.
Для генерации высокочастотного сигнала в диапазоне 60-90 ГГц был использован генератор E8257D производства компании Agilent Technologies совместно с повышающим миксером S12MS компании Oleson Microwave Labs. В качестве передающей антенны в измерительной установке использовался прямоугольный рупор с раскрывом 18x14 мм . Для измерения принимаемой мощности был использован анализатор спектра E4407B совместно с понижающим смесителем 11970W, оба производства компании Agilent Technologies. Поскольку используемый
смеситель имеет волноводный выходной интерфейс, то для его подключения к высокочастотному коаксиальному коннектору был использован коаксиально-волноводный переход.
Измерение КНД разработанных ИЛА производилось путем прямого измерения принимаемой мощности, с учетом потерь в измерительной установке от входной микрополосковой линии до входа анализатора спектра. На основе данных, указанных в спецификациях соответствующих элементов, эти потери были оценены в 6 дБ. Также были учтены потери в схеме распределения разработанной антенны, оцененные в 11.5 дБ, включая 3.5 дБ потерь в каждом полупроводниковом переключателе, 4 дБ потерь в микрополосковых линиях, а также эффективность излучения каждого облучателя, равная -0.5 дБ. На рисунке 7 представлены измеренные и полученные по результатам полного электромагнитного моделирования значения КНД на частоте 77 ГГц при работе каждого из облучателей разработанных антенн с линзами диаметром А = 15 мм и П2 = 25 мм.
I24
22 20 18 16 14 12 10
I
>4 12 10 1В 16 14 12 10
! >
1
Как видно из рисунка 7, для большей линзы измеренный уровень КНД центральных лучей составляет 23.0-25 дБи, что близко к полученным при моделировании значениям, составляющим около 24.5 дБи. Для остальных лучей
также получено хорошее соответствие измеренного и полученного при моделировании уровня КНД, составляющего соответственно 21.524.0 дБи и 23.5 дБи. Для меньшей линзы измеренные и полученные по результатам моделирования
значения КНД разработанной ИЛА составляют соответственно 19.0-21.5 дБи и 21.0 дБи для центральных лучей и 16.5-20.5 дБи и 19.0-20.5 дБи для остальных лучей. Таким образом, для обеих линз наблюдается достаточно хорошее соответствие результатов измерений и моделирования.
Для измерения трехмерных диаграмм направленности разработанная ИЛА была установлена на удаленно управляемый прецизионный позиционер. На рисунках 8 и 9 для частот 77 ГГц и 85 ГГц соответственно показаны измеренные угловые области покрытия для линз диаметрами D1 = 15 мм (а) и D2 = 25 мм (б). Показанные угловые области построены путем выбора для каждой точки в угловом пространстве максимального значения принимаемой мощности из всех 16 лучей.
Как видно из рисунков 8 и 9, линзы диаметрами D1 = 15 мм и D2 = 25 мм обеспечивают соответственно угловые области покрытия 0 < 27° с уровнем КНД не менее 16 дБи и 0 < 18° с уровнем КНД не менее 20 дБи. Измеренные угловые области покрытия имеют минимальные различия на двух измеренных частотах. По результатам моделирования и измерений получено, что уровень кросс-поляризации разработанной ИЛА составляет -35 дБ и -25 дБ соответственно при работе любого из переключаемых облучателей.
Заключение
В настоящей работе продемонстрирована интегрированная линзовая антенна с поддержкой двумерного электронного сканирования по 16 фиксированным лучам, работающая в широком диапазоне частот 73-94 ГГц. Разработанная антенна содержит решетку переключаемых микрополосковых облучателей, реализованную на печатной плате совместно с системой переключения сигнала, и однородную диэлектрическую линзу. В качестве линзы для разработан-References
7. Laskar J., Pinel S., Sarkar S. et al. // Proc. Custom
ной антенны были выбраны полусферические с цилиндрическим продолжением линзы из кварцевого стекла двух диаметров D1 = 15 мм и D2 = 25 мм. Выбор размера линзы позволяет адаптировать КНД ИЛА и диапазон углов сканирования в зависимости от требований конкретного приложения локальной радиосвязи.
С помощью полного электромагнитного моделирования и экспериментальных исследований было показано, что разработанные ИЛА обеспечивают угловые области покрытия 0 < 27° с уровнем КНД не менее 16 дБи и 0 < 18° с уровнем КНД не менее 20 дБи соответственно для линз диаметрами D1 = 15 мм и D2= 25 мм. При этом изоляция между соседними облучателями в решетке превышает 20 дБ во всем рабочем диапазоне частот.
Таким образом, разработанные ИЛА с двумерным электронным сканированием могут быть эффективно использованы в различных системах локальной радиосвязи, а также радарах и системах радиовидения.
Список литературы
1. Laskar J., Pinel S., Sarkar S. et al. // Proc. Custom Integr. Circuits Conf. San Jose, CA, USA, Sep. 2009. Р. 453-458.
2. Filipovic D.F., Gauthier G.P., Raman S., Rebeiz G.M. // IEEE Transactions on Antennas and Propagation. May 1997. V. 45. № 5. Р. 760-766.
3. Artemenko A., Maltsev A., Mozharovskiy A. et al. // IEEE Trans. on Antennas Propag. 2013. V. 61. Р. 1665-1671.
4. Ala-Laurinaho J., Karttunen A., Saily J. et al. // Proc. 4th EuCAP. Barselona, Spain, Apr. 12-16, 2010. Р. 1-5.
5. Artemenko A., Mozharovskiy A., Maltsev A. et al. // Proc. 42nd Eur. Microw. Conf. Amsterdam, The Netherlands, Oct.-Nov. 2012. Р. 213-216.
6. Boriskin A.V., Sauleau R., Nosich A.I. // IEEE Trans. on Antennas Propag. 2009. V. 57. Р. 2193-2198.
7. Mozharovskiy A., Ssorin V., Artemenko A. et al. // Proc. 43nd Eur. Microw. Conf. Nuremberg, Germany, Oct. 2013. Р. 1187-1190.
Integr. Circuits Conf. San Jose, CA, USA, Sep. 2009. Р. 453-458.
8. Filipovic D.F., Gauthier G.P., Raman S., Re-
MILLIMETER-WAVE INTEGRATED LENS ANTENNAS WITH TWO-DIMENSIONAL ELECTRONIC SCANNING
A. V. Mozharovskiy, A.A. Artemenko, A.A. Maltsev, R. O. Maslennikov, V.N. Ssorin,
A.G. Sevastyanov
The article presents the development and measurement results on integrated lens antennas designed for millimeter wave communication systems. The developed lens antennas allow two-dimensional electronic-beam scanning by switching between 16 printed feed lines integrated on a flat rear surface of lenses made of quartz glass and having a diameter of 15 mm and 25 mm.
Keywords: millimeter waveband, lens antennas, printed circuit boards, electronic scanning.
HccneèoBame интегрированнuх numoBbix aHmeHH c deymeprnm эnектроннbm cmHupoBamem
105
beiz G.M. // IEEE Transactions on Antennas and Propagation. May 1997. V. 45. № 5. P. 760-766.
9. Artemenko A., Maltsev A., Mozharovskiy A. et al. //IEEE Trans. on Antennas Propag. 2013. V. 61. P. 1665-1671.
10. Ala-Laurinaho J., Karttunen A., Saily J. et al. //
Proc. 4th EuCAP. Barselona, Spain, Apr. 12-16, 2010. P. 1-5.
11. Artemenko A., Mozharovskiy A., Maltsev A. et al. // Proc. 42nd Eur. Microw. Conf. Amsterdam, The Netherlands, Oct.-Nov. 2012. P. 213-216.
12. Boriskin A.V., Sauleau R., Nosich A.I. // IEEE
Trans. on Antennas Propag. 2009. V. 57. Р. 2193-2198.
7. Mozharovskiy A., Ssorin V., Artemenko A. et al. // Proc. 43nd Eur. Microw. Conf. Nuremberg, Germany, Oct. 2013. Р. 1187-1190.
