Разработка и оптимизация микрополосковых антенных решеток для систем мобильной связи в Ливане: на основе анализа, синтеза и измерений тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.12.07, кандидат технических наук Шариф Хуссейн Оллейк

• Шариф Хуссейн Оллейк
• кандидат технических наук
• 2011

Оглавление диссертации кандидат технических наук Шариф Хуссейн Оллейк

СОДЕРЖАНИЕ.

УСЛОВНЫЕ ОБОЗНАЧЕНИЯ И СОКРАЩЕНИЯ.

ВВЕДЕНИЕ.

1. ОСНОВНЫЕ ПРИНЦИПЫ ИССЛЕДОВАНИЯ, РАЗРАБОТКИ И ОПТИМИЗАЦИИ МИКРОПОЛОСКОГО ЭЛЕМЕНТА И МИКРОПОЛОСКОВОЙ АНТЕННОЙ РЕШЕТКИ.

1.1. Конфигурация микрополосковой антенны.

1.2. Принцип работы микрополосковой антенны.

1.3. Основные характеристики микрополосковых антенн.

1.3.1. Резонансная частота антенны.

1.4. Расчет параметров микрополосковых антенн.

1.4.1. Ширина прямоугольного излучателя.

1.4.2. Эффективная диэлектрическая проницаемость излучателя.

1.4.3. Длина излучателя.;.-.•.

1.4.4. Фактическая (эффективная) длина патча.

1.4.5. Размеры плоскости заземления (Экрана)

1.4.6. Ширина частотного диапазона антенны (А/).

1.4.7. Определение местоположения точки питания (x/, yj).

1.4.8. Коэффициент связи (взаимное влияние) излучателей микрополосковых антенных решеток.

1.5. Расчет антенны резонаторного типа с линейной поляризацией.

1.5.1. Диаграммы направленности.

1.5.2. Входная проводимость антенны.

1.6. Проектирование микрополосковых антенных решеток.

1.7. Анализ микрополосковых антенн с помощью EDA-программ.

1.7.1. Методы конечных разностей во временой области.

1.8. Характеристики излучающего элемента и экспериментальные данные.

1.8.1. Определение характеристики излучения.

1.8.2. Концепция и реализация элементарной антенны в диапазоне GSM.

1.8.3. Диаграммы направленности.

1.9. Эффект взаимного влияния.

1.9.1. Характер взаимной связи.

1.9.2: Расчет матрицы sy.

1.9.3. Экспериментальная оценка эффекта взаимной связи между двумя элементами.

1.10. Анализ вилияния эффекта взаимной связи на характеристики излучения антенной решетки.

1.11. Выводы.

2. СИНТЕЗ МИКРОПОЛОСКОВЬЕХ РЕШЕТОК.

2.1. Задача синтеза антенной решетки.

2.2. Цель исследования и постановка задачи синтеза.

2.3. Определение критерия ошибки.

2.3.1. Критерий ошибки.

2.3.1.1. Среднеквадратический критерий.

2.3.1.2. Чебышевский критерий.

2.3.1.3. Время расчета и точность полученных результатов.

2.3.1.4. Учет ограничений практической реализации.

2.3.1.5. Ограничения на синтезируемую функцию.:.:.•.

2.3.1.6. Возможность синтеза вещественной или комплексной диаграммы направленности.

2.4. Методы синтеза.

2.4.1. Выбор метода синтеза линейной решетки (минимаксный метод оптимизации).'.:. 58 ' "

2.4.2. Постановки задач вещественного и комплексного синтеза.

2.4.2.1. Вещественный синтез (частный случай).

2.4.2.2. Комплексноый синтез (синтез по мощности).

2.4.3. Возможность учета эффекта взаимного влияния.

2.5. Структура программного обеспечения (программа SARA).

2.6. Синтез линейных решеток с помощью программа SARA.

2.7. Метод синтеза конформных (цилиндрических) решеток.

2.7.1. Переход от линейной задачи к цилиндрической задаче.

2.7.2. Минимаксный метод, применяемый при синтезе цилиндрических решеток

2.7.2.1. Формулировка задачи синтеза.

2.7.2.2. Вещественный и комплексный синтез в случае цилиндрической решетки.

2.8. Алгоритм минимаксного метода синтеза.

2.9. Синтез цилиндрических решеток с помощью программы SARA.

2.10. Выводы.

3. ПРАКТИЧЕКАЯ РАЗРАБОТКА МИКРОПОЛОСКОВЫХ АНТЕННЫХ РЕШЕТОК

И РЕЗУЛЬТАТЫ ИХ ОПТИМИЗАЦИИ

3.1. Экпериментальные результаты.

3.2. Исследование эффекта взаимной связи на диаграмму направленности 4-х элементной линейной решетки.

3.3. Восьмиэлементная линейная антенна решетка (направленная решетка).

3.3.1. Первая линейная решетка.

3.3.2. Вторая линейная решетка.

3.4. Цилиндрическая антенная решетка.

3.4.1. Результаты моделирования и измерения.

3.5. Плоская антенная решетка

3.5.1. Технические характеристики и конструкции антенн.

3.5.1.1. Антенна с секторной ДН (секторная антенна).

3.5.1.2. Антенна направленного излучения (направленная антенна).

3.5.2. Выбор излучающего элемента.

3.5.3. Расчет параметров решеток.

3.5.4. Конструкция диаграммобразующей схемы.

3.5.5. Экспериментальные результаты.

3.5.6. Диаграммы направленности.

3.5.7. Согласование.

3.6. Выводы.

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Разработка и оптимизация микрополосковых антенных решеток для систем мобильной связи в Ливане: на основе анализа, синтеза и измерений»

Актуальность проблемы

В последние годы, в связи с развитием новых технологий, область телекоммуникаций испытывает быстрый рост, продолжающийся в настоящее время, несмотря на трудности современной экономической ситуации. Для удовлетворения растущих потребностей беспроводной широкополосной связи, связные системы будущих поколений должны использовать более эффективные антенны. Таким образом, для развития беспроводных сетей связи требуются технологические достижения в области электронных компонентов, программного обеспечения, методов кодирования, а также антенн, так как антенна является одним из ключевых элементов беспроводных сетей. В частности, антенна базовой станции должна быть адаптирована к конкретным условиям работы радиосистемы.

Примерно с 2005 года в Ливане происходит широкое распространение и интенсивное развитие новых поколений телекоммуникационных систем, персональных систем связи и различных беспроводных локальных сетей связи. Однако, возрастающее число радиосредств увеличивает электромагнитное заполнение и загрязнение эфира и приводит к существенному увеличению числа нежелательных помех от близко расположенных радиоисточников, существенно снижая производительность систем связи. В связи с этим резко возрастает потребность в новых антенных конструкциях и методиках их проектирования, способных обеспечить повышение помехоустойчивости и экологичности радиосистем.

Применительно к сложной современной обстановке в Ливане чрезвычайно актуальной становится решаемая в диссертации задача всесторонней оптимизации микрополосковой антенной системы, включая как оптимизацию свойств отдельного элемента решетки, так и построение наилучшей геометрии самой решетки безотносительно к типу ее элементов. Наиболее существенными критериями настоятельно необходимой оптимизации оказываются: 1) реализация требуемой формы диаграммы направленности (ДН), 2) реализация возможности управления этой формой, и 3) сохранение качества ДН и приемлемого уровня согласования входов в возможно более широкой полосе рабочих частот.

Таким образом, данная диссертационная работа посвящена решению весьма актуальной задачи оптимизации и расширения функциональных возможностей конкретных антенных решеток для базовых станций телекоммуникационных систем Ливана.

Целью диссертационной работы является:

Разработка конкретных микрополосковых антенных решеток и развитие методики их всесторонней интерактивной оптимизации на основе:

1) достаточно строгого электродинамического анализа излучающей системы;

2) вспомогательных измерений;

3) подходящего теоретического синтеза характеристики направленности (то есть, отыскания физически реализуемого распределения возбуждения источника, воспроизводящего требуемую диаграмму направленности с допустимой ошибкой);

4) интерактивного поиска наилучших технических решений для выбранной конструкции антенной системы по ряду критериев (по диапазонности и возможностям управления формой диаграммы направленности, по расширению допустимой области сканирования, по качеству согласования входов и др.). Именно построение такого сочетания методов и приемов для создания конкретных антенных устройств в системах мобильной связи составляет цель исследований автора.

Объекты исследований

В первую очередь необходимо подобрать тип излучающих элементов для конкретных разрабатываемых антенных решеток. В качестве излучающих элементов антенной решетки для связных систем Ливана наиболее перспективны микрополосковые излучатели^, способствующие миниатюризации аппаратуры, повышению уровня интеграции электронных схем, и обеспечивающие повышенную технологичность на стадии производства. В конструкциях реальных решеток управление комплексными весовыми коэффициентами возбуждения таких излучателей легко реализуется с применением технологии печатных СВЧ схем. Особо следует подчеркнуть важность оптимизации излучающего элемента. При правильном проведении оптимизации элемента и надлежащем выборе критериев синтеза решетки становится возможным реальное смягчение ограничений, навязываемых практической реализацией.

Наиболее простыми объектами являются линейные антенные решетки. В диссертационной работе разработаны и исследованы две решетки. Первая решетка состоит из 4-х идентичных микрополосковых элементов и предназначена для работы на частотах 890-960 МГц (полоса GSM). Вторая решетка состоит из 8-ми идентичных микрополосковых элементов и предназначена для работы на частотах —2.45 ГГц.

Более сложными являются конформные антенные решетки на криволинейной поверхности. В диссертационной работе разработаны и исследованы две цилиндрические микрополосковые решетки, предназначенные для формирования управляемых лучей в расширенном секторе обзора. Первая антенна состоит из 8 элементов, а вторая антенна состоит из 16 элементов. В конформных решетках излучающие элементы ориентированы в различающихся направлениях, и поле излучения не Прототипом подобных излучателей являются бортовые маловыступающие антенны в виде прямоугольных и треугольных металлических накладок, разработанные в 50-х - 60-х годах прошлого века в ОКБ МЭИ и на кафедре Антенных устройств МЭИ под руководством проф. Маркова Г.Т. и проф. Попереченко Б Л. представимо в виде произведения характеристики элемента на множитель решетки. Это приводит к существенному усложнению математической модели, описывающей решетку. Для первой антенны производятся численное моделирование и экспериментальные исследования. Для второй антенны выполнены только экспериментальные исследования.

Наконец, в диссертационной работе по технологии печатных цепей разработаны конструкции двух плоских антенных решеток (одна с направленной диаграммой, а вторая с секторной диаграммой), предназначенных для организации многоточечной связи в 3-см диапазоне волн.

Оптимальный выбор параметров каждой антенной решетки предполагает приближение в определенном смысле ее реализованной ДН к требуемой. Из множества характеристик антенной решетки при оптимизации наиболее значимы следующие параметры: 1) тип элементов, 2) число элементов, 3) позиции и ориентации элементов, 4) амплитуды и фазы возбуждения входов решетки. В диссертации рассматриваются вопросы фазового синтеза ДН антенной решетки в минимаксном приближении.

Методы исследования

Характеристики направленности микрополосковых излучающих элементов определяются численным моделированием, либо экспериментально. Ряд параметров элементов (резонансные частоты, частотное поведение входного сопротивления и др.) находятся с помощью вычислительной программы электродинамического анализа методом конечных разностей во временной области (РОТО). Входные импедансы излучающих элементов согласуются с сопротивлениями питающих линий стандартными методами теории цепей СВЧ. Для синтеза ДН антенной решетки используется численный минимаксный метод оптимизации.

Научная новизна

В диссертационной работе представлен новый подход к комплексной разработке многоэлементных микрополосковых антенных систем, проведены теоретические исследования (включая численную оптимизацию на основе теории минимакса), выполнены экспериментальные исследования различных допустимых конфигураций антенных решеток. Предложена новая комплексная методика разработки передающих связных антенных решеток, включающая в себя: 1) сочетание теоретических методов анализа и синтеза линейных, плоских и конформных антенных решеток с дополнительными экспериментальными исследованиями; 2) возможность видоизменения формы характеристики направленности, и отклонения ее лепестков на нужного корреспондента за счет изменения только фаз возбуждения элементов; 3) учет и компенсацию эффекта взаимного влияния между элементами антенных решеток, оказывающего существенное влияние на предельно достижимые оптимальные параметры антенной системы.

Данная методика практически реализована и экспериментально исследована при разработке ряда конструкций конкретных микрополосковых антенных систем, предназначенных для применения на базовых станциях систем мобильной связи Ливана. Особо следует подчеркнуть новизну и важность предложенной оптимизации отдельного излучающего элемента. При предлагаемых в диссертации методах оптимизации элемента и надлежащем выборе критериев синтеза решетки становится возможным реальное смягчение ограничений, навязываемых практической реализацией. Серьезное значение при управлении диаграммами направленности антенных решеток имеет эффект взаимного влияния между элементами.

Основные положения, представленные к защите

Электродинамический анализ микрополоскового излучающего элемента методом конечных разностей во временной области, и численный метод оптимизации излучающего элемента на основе минимаксного критерия.

Комплексная оптимизация нескольких видов передающих связных антенных решеток (линейная решетка, цилиндрическая решетка, и плоская решетка) с использованием специального программного обеспечения для синтеза антенных решеток (SARA). Учет и компенсация эффекта взаимного влияния элементов решетки. Расчеты, эксперименты, и результаты сопоставления расчетных и экспериментальных результатов. Выводы и рекомендации по итогам исследований.

Обоснованность научных положений и достоверность результатов обеспечены применением только адекватно построенных и общепризнанных математических и физических моделей на основе тщательного теоретического анализа, а также разумным выбором сочетания этих моделей в предложенной методике разработки антенных систем. Достоверность теоретических результатов окончательно установлена и подтверждена многочисленными экспериментами и сравнением с данными других опубликованных исследований.

Практическая значимость и внедрение

В процессе работы создано специальное программное обеспечение SARA для синтеза антенных решеток (SARA = Synthesis of Array Antenna). В основу численного метода оптимизации положена теория минимакса, согласно которой минимизируется максимальная разность между реализуемой диаграммой направленности и ее заранее заданным шаблоном. Пользователь предварительно задает число и расположение элементов, а также диаграмму направленности элемента решетки. В процессе оптимизации определяются требуемые амплитуды и фазы возбуждающего сигнала для каждого элемента решетки. Опционально принимаются во внимание, или не принимаются, взаимные связи между элементами. Программное обеспечение SARA (которое далее называется также программа SARA) позволяет осуществлять синтез антенных решеток различной геометрии, как-то: линейных, плоских и конформных.

В процессе научно-исследовательской и опытно-конструкторской деятельности автора диссертации созданы конкретные образцы трех типов микрополосковых антенных решеток для базовых станций мобильной связи Ливана. В результате оптимизации, проведенной на основе положений данной диссертации, технические характеристики этих решеток близки к предельно достижимым. Конструкции решеток успешно прошли этап испытаний, и приняты к реализации в Ливане.

Апробация Результаты диссертации докладывались на семинарах кафедры Антенных устройств МЭИ в 2008 -2009 г.г., на семинарах в Ливанском университете г. Сайда в 2007 - 2009 г.г., а также докладывались на следующих конференциях:

1. Международная научно-техническая конференция к 100-летию со дня рождения В.А. Котельникова, Россия, Мосьсва (МЭИ), 21-23 октября 2008 г.

2. 19-я Международная Крымская конференция «СВЧ-техника и телекоммуникационные технологии» (CriMiCo'2009), Украина, г. Севастополь, 14-18 сентября 2009 г.

Структура диссертации

Диссертационная работа состоит из введения, трех глав, заключения и библиографического списка. Работа содержит (137) страниц машинописного текста. Список литературы включает (62) наименований на (6) страницах.

Заключение диссертации по теме «Антенны, СВЧ устройства и их технологии», Шариф Хуссейн Оллейк

2.6. Выводы

При рассмотрении проведенных диаграмм направленности линейных решеток, заметно, что, эффект взаимного влияния мало сказывается при углах сканирования меньше 50°. Однако этот эффект может значительно исказить ДН при углах сканирования, больших 50°. Этот эффект компенсируется с использованием методов синтеза, построенных принимая во внимании изменения возбуждений, вызванные взаимным влиянием.

В отличие от линейной антенной решетки, использование цилиндрической антенной решетки позволяет достичь потенциального углового диапазона перекрытия, равного 360°, но в таких решетках ДН каждого элемента значительно влияет на ДН решетки в целом.

Использованный метод синтеза продемонстрировал высокую эффективность использованного метода аппроксимации и коррекции функции ошибки. Это было доказано сходимостью метода и близостью синтезированных ДН к измеренным ДН. Кроме того, применение метода синтеза на основе минимаксного критерия демонстрирует эффективность и большую надежность этого метода при синтезе ДН плоской решетки, как это было показано на примере направленной и секторной решеток.

Были проанализированы два типа антенн, реализованных на базе печатной технологии. Реализованные антенн удовлетворяют техническим требованиям на ширину главного лепестка и коэффициент усиления. Заданные значения этих характеристик были выбраны для повышения эффективности системы беспроводной связи, антенны которой должны иметь высокий КУ и низкий УБЛ. В целом, КУ таких антенн может достигать 30 дБ, но полоса пропускания довольно узкая (менее 2%), что ограничивает их использование в приложениях, в которых требуется относительно небольшая ширина полосы частот и средние значения КУ.

1. Заключение

Применение концепции адаптивных антенн в сети связи позволяет применять адаптацию диаграммы направленности в направлении каждого пользователя. Минимизация излучения в определенных направлениях может исключить помехи передачи, которые могли бы нарушить другие линии связи или уменьшить поток передачи данных. Наконец, управление уровнем излучения в некоторых определенных направлениях позволяет избежать взаимных помех с другими радиосистемами или повреждения радиооборудования и в то же время сохраняет окружающую среду, обеспечивая снижение электромагнитного загрязнения.

В этой работе, была разработана концепция синтеза и оптимизации характеристик линейной, цилиндрической и плоской антенных решеток с возможностей применения полученных результатов в области адаптивных антенн. Были предложены подходы к усовершенствованию существующих методов формирования луча в частности подходы к устранению влияния помех для линейных и цилиндрических АР, используемых в связных сетях и в частности в антенн диапазона GSM. Разработанные методы синтеза учитывают различные ограничения, связанные с особенностями адаптивных антенн с формированием луча. Преимуществами и отличительными особенностями данной работы являются: Применение методов синтез ДН для АР, имеющих линейную (плоскую) и конформную (цилиндрическую) геометрию. Возможность создания многолучевой диаграммы в широких угловых зонах. Возможность создания нулей во всей зоне сканирования. Возможность синтеза диаграммы с помощью управления только фазовым распределением, или путем управления, как амплитудами, так и фазами возбуждений элементов АР.

Задание требований к модулю ДН с помощью шаблона. Уровень --КУ и УБЛ контролируются весовыми функциями во всех зонах образующих область синтеза. Для линейных решеток, описаны 2 типа решения задачи синтеза: комплексное решение и вещественное решение (частный случай). Это последнее решение использует сопряженность комплексного возбуждения относительно оси решетки. Это тип возбуждения обеспечивает оптимальные результаты в случаях направленных решеток.

В первой главе, были рассмотрены микрополосковые антенны, которые получили широкое распространение на рынке мобильных телефонов. Было Уделено большое внимание их характеристикам с целью оптимизации в АР, исследованных данной работе, в которых применяются микрополосковые антенны в качестве излучателей (излучающих элементов). Оптимизация характеристик этих элементов была выполнена с применением метода конечных разностей во временной области (FDTD), который основан на решении уравнений Максвелла.

Во второй главе, был предложен метода синтеза линейных и конформных решеток на основе минимаксного критерия. Использованный в этой работе метод оптимизации основан на алгоритме итерационного решения систем нелинейных уравнений с использованием минимаксного критерием. Кроме того, применятся метод синтеза ДН с управлением фазовым распределением возбуждения. Было отработано ПО (SARA -Synthesis of ARray of Antennas), которое позволило протестировать этот метод синтеза на линейных антенных решетках для различных заданных ДН (направленная ДН, многолучевая ДН и формирование нулей ДН). В частности, примененный метод синтеза был протестирован на примерах формирования различных типов направленных лучей с нулями, формирования сканирующих ДН в угловом секторе пространства от -50° до +50°. Полученные результаты были признаны удовлетворительными, а время расчета составлено доли секунды. Кроме того, в этой главе было представлено расширение минимаксного метода на случай синтеза конформных решеток (на примере цилиндрической решетки), в которых ДН каждого элемента изменяется в зависимости от положения элемента в решетке и, следовательно, ДН каждого элемента влияет на ДН решетки. Геометрия цилиндрических решеток позволяет обеспечить сканирование в широком угловом секторе; следовательно, необходимо было рассмотреть новые направления оптимизации антенной системы. Минимаксный метод был протестирован на примерах формирования направленных ДН, многолучевых ДН и создания нулей в заданных направлениях. Были получены удовлетворительные результаты при широком угловом секторе сканирования. Результаты моделирования с использованием амплитудно-фазового и фазового управления демонстрируют хорошее качество формирования луча в заданном направлении.

В третьей главе, были рассмотрены вопросы реализации антенных решеток (линейных, цилиндрических и плоских АР), использованных для проверки результатов моделирования. Эти антенны были построены на основе технологии микрополосковых и печатных антенн. Ввиду их многочисленных преимуществ, такие антенны могут быть использованы в различных областях, прежде всего в области мобильной связи (на спутниках, самолетах, автомобилях, ракетах, а также в и портативных или мобильных телефонах). Результаты проведенных в безэховой камере, экспериментов для различных угловых направлений подтвердили эффективность и гибкость подхода к решению задачи с использованием предложенного метода синтеза АР, при наличии любых видов ограничений на характеристики АР, включая ограничения, отражающие теоретические проблемы, связанные с излучением решетки и практические ограничения, обусловленные конструктивными особенностями АР и ее схемы питания.

2. Перспективы — —-------

Перечислим некоторые перспективы дальнейшего развития результатов данной работы: Развитие метода синтеза с целью повышения эффективности определения весов амплитудного и фазового распределений возбуждения. Развитие минимаксного метода синтеза с целью получения эффективного метода синтеза пространственных ДН. Обобщение разработанного подхода на анализ и синтез антенных решеток более сложных конструкций (например, спутниковых антенн). Развитие метода синтеза конформных (цилиндрических) решеток на решетки с изменением поляризации.

Реализация и применение высокоточных разрешений алгоритмов (MUSIC, ESPRIT) для оценки и определения направлений прихода сигналов в проектируемой системе. Рассмотрение возможности реализации нейросетевых методов для решения задачи синтеза в реальном времени.