Управляемые отражательные антенные решетки с высоким коэффициентом усиления на основе самоорганизующихся систем взаимодействующих нагруженных дипольных рассеивателей

ОГЛАВЛЕНИЕ
Введение
Глава 1. Анализ возможности использования электрически больших массивов взаимодействующих нагруженных дипольных рассеивателей для создания управляемых отражательных решеток с высоким коэффициентом усиления.
1.1 Архитектура исследуемой антенной решетки и основные принципы се работы.
1.2 Численные эксперименты но обоснованию концепции построения антенной решетки, образованной массивами взаимодействующих рассеивателей, как самоорганизующейся системы.
1.3 Численное моделирование электродинамики антенной решетки и оптимизация параметров образующих ее рассеивателей с учетом их взаимного влияния.
1.4 Результаты численного анализа: характеристики оптимизированной антенной решетки.
1.5 Выводы
Глава 2. Лабораторная модель антенной решетки.
2.1 Конструкция зеркала антенны.
2.2 Система управления антенной решеткой.
2.2.1. Требования к системе управления. 77
2.2.2. Аппаратная реализация. 78
2.2.3. Схема системы управления. 80
2.2.4. Реализация ЦАП. 83
2.2.5. 1*С - фильтры 84
2.2.6. Устойчивость системы управления. 88
2.2.7. Энергопотребление. 90
2.2.8. Последовательный периферийный интерфейс. 92
2.3 Использование методов многомерной оптимизации для 95
формирования диаграммы направленности и управления ее параметрами в процессе эволюционной самоорганизации антенной решетки.
2.3.1. Постановка оптимизационной задачи. 95
2.3.2. Режим обучения. 96
2.3.2.1.Описание задачи оптимизации в режиме 96
обучения
2.3.2.2. Алгоритмы оптимизации. 98
2.3.2.3.Метрики оптимизации. 102
2.3.2.4. Экспериментальная установка и результаты. 103
2.3.3. Режим реальной работы. 109
3
'1
2.3.3.1 .Описание задачи оптимизации в режиме 109
реальной работы.
2.3.3.2.Флуктуации мощности принимаемого 110 сигнала.
2.3.3.3.Алгоритмы и метрики. 112
2.3.3.4.Экспериментальная установка и результаты. 112
2.4 Экспериментальная установка и методы измерения 114 параметров решетки.
2.5 Выводы. 117
Глава 3. Экспериментальное исследование антенной решетки. 119
3.1 Исследование характеристик рассеивателей, работающих в 119 условиях взаимного влияния. Экспериментальная
настройка пространственной структуры антенной решетки.
3.2 Управление диаіраммой направленности антенной 124
решетки на основе данных, полученных в ходе самонастройки антенной решетки на различные направления приема/передачи излучения. Достигнутые характеристики антенной решетки.
3.3 Работа антенной решетки в режиме адаптации к наличию 128 источников помех.
4
3.4 Полевые испытания антенной решетки в реальных каналах 129 связи.
3.5 Выводы 136
Глава 4. Модификации антенной решетки. 138
4.1 Расширение частотной полосы антенной решетки 138
4.2 Модификация параметров излучателя параболической 144
антенны с помощью массивов дипольных рассеивателей
4.3 Работа антенной решетки "на просвет" в режиме линзы 148
4.4 Выводы. 153
Заключение. 155
Список цитированной литературы. 160
Список работ но диссертации. 172
Приложение. Метод конечных элементов. 176
5
Введение.
Настоящая диссертационная работа посвящена экспериментальному и теоретическому исследованию возможности создания электрически больших (имеющих высокий коэффициент усиления) управляемых отражательных антенных решеток, построенных с использованием массивов распределенных в пространстве рассеивателей, параметры которых могут устанавливаться с помощью электрических управляющих сигналов. В исследуемых антенных решетках рассеиватели работают в условиях сильного электродинамического взаимодействия друг с другом, при этом настройка диаграммы направленности осуществляется за счет процесса эволюционной самоорганизации антенной решетки, обеспечиваемого интегрированным в систему вычислительным блоком, вырабатывающим управляющие сигналы для всех рассеивателей, входящих в решетку.
На основе данных исследований была разработана простая по конструкции и имеющая невысокую стоимость антенна сантиметрового диапазона длин волн, формой диаграммы направленности которой можно управлять: осуществлять сканирование главного лепестка диаграммы в большом диапазоне углов, изменять ширину этого лепестка, формировать минимумы в заданных направлениях.
Выбор темы исследования обусловлен се научной новизной и практической актуальностью создания антенн с управляемой диаграммой направленности для современных систем беспроводной связи.
Применение антенн с высоким коэффициентом усиления, направлением излучения и приема которых можно управлять электрически, представляется весьма перспективным для использования в беспроводных системах связи, поскольку такие антенные системы дают возможность увеличивать дальность связи даже в тех случаях, когда взаимное положение источника и приемника излучения изменяется с течением времени, позволяя, в частности:
• устанавливать непрерывную стабильную связь требуемого качества с мобильными объектами;
• компенсировать механические отклонения антенных конструкций, которые могут быть вызваны различными нежелательными факторами (ветер, разрушение опор и т.п.);
• обеспечивать пространственно-временное разделение каналов связи;
• оперативно реконфигурировать топологию сети, состоящей из множества узлов.
Если антенная система позволяет посредством электронного управления
задавать не только направление максимума мощности излучения/приема, но
%
и направления минимума излучаемой/принимаемой мощности, то такая система делает возможной и борьбу с помехами, что также позволяет улучшить качество связи в беспроводной сети.
Однако, несмотря па все отмеченные выше ценные свойства, антенны с управляемыми диаграммами направленности до настоящего времени не нашли широкого применения в беспроводных системах связи, доступных на
7
1
массовом рынке телекоммуникационного оборудования (для сетей WiFi, WiMax, 3G и т.п.). Известны лишь единичные попытки создания таких коммерческих антенных систем, например компания ViVATO [1]. В основном, они касаются использования антенн с управляемыми диаграммами на стороне базовых станций, случаи использования подобных антенн на стороне клиентов сетей практически неизвестны.
Главной причиной данной ситуации является значительная стоимость подобных устройств, связанная с высокой ценой СВЧ элементов, на которых построено большинство современных антенных систем с управляемыми диаграммами направленности, основанных на использовании фазированных антенных решеток (ФАР).
Как известно, для получения высоких коэффициентов усиления антенных решеток необходима апертура больших электрических размеров и, соответственно, большое количество распределенных по ней излучателей. Согласно наиболее распространенной концепции архитектуры ФАР, к каждому излучателю от источника (к приемнику) СВЧ сигнала подводится отдельный волновод, при этом в канал каждого излучателя включается отдельное устройство управления фазой - фазовращатель. Несмотря на прогресс в разработке СВЧ материалов и технологий создания соответствующих устройств, изготовление большого числа отдельных СВЧ цепей остается весьма дорогостоящим процессом. К отмеченным факторам добавляются трудности компоновки элементов ФАР, а также потери
мощности в протяженных волноведущих трактах, компенсация которых требует применения усилителей, что в еще большей степени повышает конечную стоимость антенной решетки.
Решение задач минимизации числа используемых дорогих СВЧ элементов, уменьшения потерь мощности, а также существенного снижения стоимости антенной системы при сохранении преимуществ антенн с электрически управляемой диаграммой направленности возможно в рамках концепции антенных решеток с пространственным питанием ее элементов, которыми являются пассивные рассеиватели с управляемыми параметрами. Изменение параметров рассеивателей позволяет варьировать фазу и амплитуду переизлучаемых ими полей, что дает возможность формировать нужную диаграмму направленности всей системы рассеивателей. *
Исторически исследования подобного типа антенн, развивались по нескольким основным направлениям [2-54], включая управление излучением за счет изменения параметров рассеивающих объектов [2-6].
Для антенн сантиметровых и миллиметровых диапазонов длин волн были предложены так называемые отражательные антенные решетки - антенны, образованные плоской отражательной поверхностью [7-10]. На этой поверхности располагается большое количество пассивных антенн-рефлекторов (например, открытых волноводов или микрополосковьтх элементов). Линии передачи СВЧ излучения к этим антеннам не подводятся. Единственный в системе активный элемент - облучатель - создает в
пространстве первичное поле, которое и возбуждает элементы отражательной решетки. Эти элементы должны переизлучать падающее на них поле с фазой, необходимой для формирования всей системой плоского волнового фронта в дальней зоне, распространяющегося в заданном направлении. Другими словами, рассеиватели компенсируют набеги фазы, возникающие из-за разницы расстояния от облучающего элемента до различных рассеивателей на отражающей поверхности. Возможность, варьируя параметры рассеивателя, настраивать фазу переизлученного им поля, позволяет управлять диаграммой направленности всей системы.
Примером одной из первых работ, посвященных отражательным антенным решеткам, является работа, опубликованная в 1963 году [9]. В ней (рис. 1) зеркало формируют волноводные элементы различной длины. В качестве облучателя зеркала предлагается использовать рупор. Электромагнитные волны, формируемые рупором, распространяются до плоскости, на которой располагаются входы волноводов, далее распространяются по ним и отражаются от закороченных концов обратно, псреизлучаясь вновь из их открытых концов. Изменяя длину каждого волновода отдельно, добиваются настройки фазы переизлучаемого им поля в
Рис.1
10
дальней зоне. Большие габариты и масса антенн, построенных с использованием отрезков волноводов, потребовали поиска иных вариантов конструкции отражательных решеток [8].
Рис.2
Следующим этапом развития концепции отражательных антенных решеток стало использование в них планарных отражающих элементов. В частности, предлагалось использовать плоские спиральные элементы с несколькими вложенными и повернутыми друг относительно друга спиральными плечами (рис. 2) [10], формирование рассеивающего элемента осуществлялось с помощью рт-диодной системы коммутации спиральных плеч рассеивателя. Решетка, образованная спиральными элементами, возбуждается с помощью волны, имеющей круговую поляризацию. Из-за эффективного поворота спирального элемента на определенный угол, фаза переизлученного им поля изменяется на ту же величину в градусах. Переключая диоды и включая необходимые пары элементов спирали, добиваются управления фазой переизлученного поля и, как следствие, диаграммой направленности.
11
Позже в качестве элементов отражательных антенных решеток стали использовать нагруженные микрополосковые антенны различной формы [7, 11-13]. Выбор величины нагрузки позволяет управлять фазой переизлученного поля и диаграммой направленности решетки в целом.
Типичная схема комбинирования отражательных решеток и микрополосковых рассеивателей изображена на рис.З. Первое упоминание об использовании микрополосковых элементов для отражательных решеток было найдено в работе [14] 1978 года. В том же году, первая попытка проанализировать элемент отражательной решетки с использованием приближения бесконечной решетки было произведено Монтгомери [15]. В конце 1980х - начале 1990х, различные печатные микрополосковые отражательные решетки стали разрабатываться в целях уменьшения размеров и массы антенн. Например, антенна (рис. 4) [16-21], состоящая из идентичных прямоугольных элементов с линиями задержки фазы. Эти небольшие отрезки размером не более половины длины волны компенсируют
прямоугольная
патч-а*
микрополосковая линия задержки
земля
облучателЦс^о)
диэлектрическая
подложка
Рис.З
12
Рис.4
разницу фазовых набегов от облучающего элемента до рассеивающего. С учетом того, что линии задержки согласованы с микрополосковыми рассеивателями, сигнал излучаемый рупором, принимается рассеивателем, поступает в линию задержки, отражается от её открытого конца (коэффициент отражения равен 1), возвращается обратно с измененной фазой в рассеиватель и переизлучается. Таким образом, софазированные сигналы излучаемые различными элементами решетки образуют плоский волновой фронт в дальней зоне.
В другом подходе используются диполи различной длины (рис. 5) [22]. Вариация длины диполей приводит к изменению имиедансов рассеивания и, соответственно, различным сдвигам фаз персизлученных полей, компенсирующие разницу хода сигналов до элементов решетки. Аналогично работает и решетка из прямоугольных микрополосковых элементов различных размеров (рис. 6) [23]. Решетки из элементов разных размеров
13
& ©
о
Рис.5
выигрывают в части энергоэффективности перед решетками, использующими линии задержки, из-за потерь на излучение этими линиями.
Другое решение - это использование микрополосковых элементов с круговой поляризацией одинаковых размеров, но расположенных под разными углами, для формирования софазированных в дальней зоне лучей. В работах [24, 25] размеры элементов и линий задержки были зафиксированы, однако их положение менялось поворотом на некоторый угол, который вносил изменение фазы вдвое большее, чем величина угла поворота в градусах. Этот подход показал высокую эффективность в части уменьшения уровня боковых лепестков и кросполяризации из-за эффекта усреднения псевдо-случайного расположения рассеивателей и отсутствия зеркального отражения лучей, так как теперь для всех элементов резонансная частота одинаковая.
Рис.6
14
В дополнение к выше описанным подходам в 1990-х годах появились новые. Например, печатные диполи различной длины использовались в качестве элементов отражательной решетки с частотным качанием луча (рис. 7) [26]. При изменении рабочей частоты и положения облучателя изменение электрического расстояния между элементами приводит к вариациям фазы каждого ряда элементов и, соответственно, изменению направления главного луча диаграммы направленности. Фиксация положения облучателя при изменяемой рабочей частоте приводит к уширению лепестка и уменьшению КУ антенны, из-за того что разница набега фаз у соответствующих элементов при этом остается неизменной. Конфигурация печатных кольцевых элементов разных диаметров, концентрически расположенных по зонам Френеля, также использовалась для фокусировки излучения (рис. 8) [27]. Каждая кольцевая зона, разница
Рис.7
15
хода между которыми составляет целое число длин волн, состоит из идентичных по размеру элементов. В различных зонах - кольца различны, и специально рассчитаны таким образом, чтобы сформировать один главный лепесток диаграммы направленности. Однако, такой отражатель не является самым эффективным, так как сдвиг фазы осуществляется с большим дискретом.
Рис.8
В 1996 году на конференции по фазированным антенным решеткам была представлена отражательная антенная решетка [28] с возможностью управления лучом диаграммы направленности в широких (±45°) пределах, работающая на частоте 94 ГТц, использующая Р1Ы-диодные однопозиционные фазовращатели. Дипольные элементы печатаются на подложке, на которой размещаются встроенные кремниевые рт-диоды. Другая конструкция, работающая на частоте 35 ГГц [29], также была
16
представлена на этой конференции, в ней использовались волноводные или диэлектические элементы со встроенными трехбитными ферритовыми фазовращателями, управление диаграммой осуществлялось в пределах ±25°. Диаметр шестиугольной решетки составлял 64 см, состояла она из 3600 элементов расположенных на расстоянии 1,1 длины волны друг от друга. Каждый элемент имел плоскую ДН, с острыми краями для уменьшения боковых лепестков в решетке. Управление осуществлялось встроенными ферритовыми фазовращателями. В антенной решетке, разработанной исследовательским центром NASA Glenn Research Center, в целях уменьшения размеров для вращения фазы использовалось тонкопленочное ферроэлектрическое устройство, Ba0.06Sr0.40Ti03(BST) [30]. Система
работала на частоте 19 ГГц, в С-диапазоне потери фазовращателей составляли около 2 дБ, на частоте 19 ГГц - до 4 дБ.
Более поздние антенные решетки с управляемой ДН использовали диоды-варикапы [31, 32], где необходимы только одна или две линии управления. Конфигурация отражательной решетки с элементами - двумя половинками микрополоскового прямоугольного рассеивателя, соединенными диодами варикапами, представлена на рис. 9. Каждый диод обратно смещен и управляется постоянным напряжением, изменение которого приводит к изменению фазы поля, персизлучаемого каждым элементом решетки. В такой конструкции требуется 1-2 линии управления на каждый элемент решетки, в традиционных фазовращательных схемах необходимо до 12
диодов и 12 линий управления на каждый. Таким образом, это фактор становится очень важным при создании больших решеток с большим числом элементов. Лабораторный прототип антенны для С-диапазона, состоящий из 70 элементов с варикапами представлен на рис. 9, совместно с набором диаграмм. Луч управляется в пределах ±50°. Потери диода в данном диапазоне составляют до 2 дБ, и могут увеличиваться в миллиметровом диапазоне частот. Ещё одним ограничением в использовании таких диодов может стать их размер/упаковка/корпус.
В качестве управляемых элементов в отражательных решетках используются как рт-диоды, позволяющие осуществлять дискретное подключение и отключение элементов системы, а, следовательно, дискретно управлять фазой переотраженного поля, так и диоды-варикапы, дающие возможность плавной перестройки параметров нагрузок за счет изменения напряжения смещения, и, следовательно, позволяющие плавно перестраивать фазу переотраженного ноля.
Рис.9
18