Разработка и создание микрополосковых антенных решеток для систем широкополосного беспроводного доступа "WiMic" тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.12.07, кандидат технических наук Дмитриченко, Евгений Викторович

• Дмитриченко, Евгений Викторович
• кандидат технических наук
• 2012

Оглавление диссертации кандидат технических наук Дмитриченко, Евгений Викторович

ВВЕДЕНИЕ.

1. ОБЗОР ЗАДАЧ РАЗРАБОТКИ И СОЗДАНИЯ АНТЕННЫХ РЕШЕТОК ДЛЯ СИСТЕМ ШИРОКОПОЛОСНОГО БЕСПРОВОДНОГО ДОСТУПА.

1.1 Принципы построения микрополосковых антенных решеток.

1.2 Основы стандарта IEEE 802.16.

1.3 Система беспроводного широкополосного доступа «WiMIC-6000».

1.4 Мобильный комплекс «МИК-МКС».

1.5 Анализ существующих антенных решеток и излучателей.

1.5.1 Планарная антенная решетка РА 5.0 SA V.

1.5.2 Планарная антенная решетка SL12021A.

1.5.3 Планарная антенная решетка DS 6000-19.

1.5.4 Планарная высокочастотная антенна с всенаправленной диаграммой.

1.5.5 Антенные системы базовых станций сотовой связи третьего поколения.

1.5.6 Активные фазированные антенные решетки на основе излучателей Вивальди.

1.5.7 Эволюция широкополосных антенн.

1.6 Аналитический обзор программного обеспечения по электродинамическому моделированию.

1.7 Методика создания антенных решеток.

1.8 Основные результаты главы.

2. УЗКОНАПРАВЛЕННЫЕ МИКРОПОЛОСКОВЫЕ АНТЕННЫЕ РЕШЕТКИ ДЛЯ АБОНЕНТСКОЙ СТАНЦИИ «WIMIC-6000».

2.1 Микрополосковая антенная решетка для абонентской станции

WiMic-6000» на эллиптическом излучателе.

2.1.1 Критерии выбора излучателя.

2.1.2 Практическая реализация излучателя.

2.1.3 Модель антенной решетки из 4 излучателей.

2.2 Гибридный излучатель.

2.2.1 Моделирование гибридного элемента решетки.

2.2.2 Практическая реализация гибридного элемента решетки.

2.2.3 Проектирование антенной решетки из 16 излучателей.

2.3 Микрополосковая антенная решетка из 16 кольцевых излучателей.

2.3.1 Моделирование антенной решетки из 16 излучателей.

2.3.2 Практическая реализация антенной решетки из 16 излучателей.

2.4 Антенная решетка из 64 излучателей.

2.4.1 Моделирование антенной решетки из 64 излучателей.

2.4.2 Практическая реализация антенной решетки из 64 излучателей.

2.5 Основные результаты главы.

3. ВОЗИМЫЕ ВСЕНАПРАВЛЕННЫЕ МИКРОПОЛОСКОВЫЕ

АНТЕННЫ ДЛЯ «\VIMIC-2000» И «\VIMIC-6000».

3.1 Возимая всенаправленная микрополосковая антенна для станций «\У1Мю-6000» на БРМ.

3.1.1 Моделирование возимой всенаправленной микрополосковой антенны для станций «\ViMic-6000» на ЕЯ-4.

3.1.2 Практическая реализация антенны на РЯ-4.

3.2 Возимая всенаправленная микрополосковая антенна для станций «\ММю-2000».

3.2.1 Модель возимой всенаправленной антенны на РЯ-4.

3.2.2 Практическая реализация всенаправленной антенны на РЯ-4.

3.2.3 Модель возимой всенаправленной антенны на ЯО 4003.

3.2.4 Практическая реализация возимой всенаправленной антенны на

ЯО 4003.

3.3 Основные результаты главы.

4. СЕКТОРНЫЕ МИКРОПОЛОСКОВЫЕ АНТЕННЫЕ РЕШЕТКИ ДЛЯ

БАЗОВЫХ СТАНЦИЙ «\У1М1С-2000» И «\У1М1С-6000».

4.1 Секторная микрополосковая антенная решетка для базовой станции «\ViMic-6000».

4.2 Секторная микрополосковая антенная решетка для базовой станции «\ViMic-2000».

4.3 Основные результаты главы.

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Разработка и создание микрополосковых антенных решеток для систем широкополосного беспроводного доступа "WiMic"»

Актуальность работы

Одной из основных тенденций развития современных телекоммуникационных технологий является миниатюризация радиоэлектронной аппаратуры (РЭА). Известно, что характеристики РЭА в значительной степени определяются свойствами и конструктивно-электрическими параметрами её антенно-фидерного устройства (АФУ). Микрополосковые антенны (МПА) обеспечивают высокую повторяемость размеров, низкую стоимость, малые металлоемкость, габаритные размеры, массу.

Увеличение ширины рабочей полосы современных систем телекоммуникаций обусловлено необходимостью существенного расширения функциональных возможностей данных систем, в частности скорости передачи данных. На отечественном рынке представлено много антенных решеток (АР), основным недостатком которых является малая ширина рабочей полосы. Между тем, для современных систем широкополосного беспроводного доступа (СШБД), например станций «\ViMic», необходимы антенные решетки, способные работать в широком диапазоне частот. Причем для СШБД необходимы разработка и создание различных АР: для базовых и абонентских станций; секторных и всенаправленных; стационарных и возимых. Собственное создание антенн под конкретный тип оборудования, с заданными характеристиками и параметрами, имеет ряд стратегических преимуществ: независимость от сторонних производителей; возможность на этапе разработки учесть особенности оборудования, в составе которого будет работать антенна; возможность опережающего проектирования перспективных систем, в т.ч. специального назначения.

Цель работы - разработка и создание антенных решеток для СШБД «\ViMic». Для достижения поставленной цели необходимо разработать и создать:

- узконаправленные микрополосковые антенные решетки для абонентских станций «\ММю»;

- возимые всенаправленные микрополосковые антенные решетки для станций «\ViMic»;

- секторные микрополосковые антенные решетки для базовых станций

В работе применены: компьютерное и экспериментальное моделирование, электродинамический анализ, численные методы.

Достоверностьрезультатов подтверждена согласованностью компьютерного и экспериментального моделирования, практическим применением созданных АР в действующих СШБД «\ViMic».

Научная новизна

1. Разработаны и созданы новые узконаправленные микрополосковые антенные решетки для абонентских станций «\ViMic.

2. Разработаны и созданы новые возимые всенаправленные микрополосковые антенные решетки для станций «\¥1Мю».

3. Разработаны новые секторные микрополосковые антенные решетки для базовых станций «\ViMic».

Практическая значимость

1. Созданные новые узконаправленные (для абонентской станции) и секторные (для базовой станции) микрополосковые антенные решетки позволили использовать в системах «\ViMic» одну антенную решетку.

2. Созданные новые возимые всенаправленные микрополосковые антенные решетки для станций «\ViMic» повысили устойчивость и надежность мобильного комплекса связи «МИК-МКС».

3. Аналитический обзор программного обеспечения по электродинамическому моделированию использован для обоснования комплектации аппаратно-программного комплекса для анализа взаимовлияний электрических сигналов в бортовой аппаратуре космических аппаратов.

Использование результатов исследований

1. ОКР 2007-2009 гг.: «Редут-2УС-М»; «МИК-АМ» для ФГУП «НИИССУ» по договорам: 502-М/07 от 03.04.2007 г.; 501/41-08 от 01.09.2008 г.; 05/09нто от

11.03.2009 г. Проект «Редут-2-УС-М» - мобильные комплексы связи, предназначенные для быстрого развертывания сетей беспроводного доступа, оборудованные СТПБД «WiMic-2000». Комплексы прошли государственные испытания и поставлены на вооружение и снабжение по государственному оборонному заказу. «МИК-АМ» - мобильные комплексы связи, применяемые для гражданских нужд, оборудованы СШБД «WiMic-бООО». Комплексы прошли полевые испытания и находятся на этапе внедрения в различные комплексы связи.

2. ОКР 2009-2010 гг. «Редут-2УС-Микран» для ФГУП Концерн «Системпром» по договорам: 22/09 от 09.11.2009 г.; 23/09 от 09.11.2009 г.

3.НИР «Антенна» для «НИИСЭС ТУ СУР» по договору 12/10/СЭС от

11.01.2010 г. Состав НИР включал в себя: разработку широкополосных АР для СШБД «WiMic-бООО»; изготовление и исследование характеристик опытных образцов для системы связи специального назначения с псевдослучайно перестраиваемыми частотами. Система находится на этапе внедрения в различные комплексы связи специального назначения.

4. ОКР 2010 г. «Морфей-ВЧА ССС» для ОАО ГСКБ «Алмаз-Антей» по договору 04/09 от 25.02.2009 г. по государственному оборонному заказу. «Морфей-ВЧА ССС» - самоорганизующаяся система связи с применением технологии АФАР. Система находится на этапе государственных испытаний.

5. ОКР «Разработка опытных образцов и создание серийного производства фиксированной связи широкополосного беспроводного доступа стандарта WiMax IEEE 802.16d и 802.1 бе» договор 13G25 31 0011 от 07.09.2010 г. по постановлению 218 Правительства РФ.

6. ООО «Оптимальные телекоммуникации» по договору 49/11-ОЭ от

09.06.2011 г.

7. ООО «Амурские системные сети» по договору 154/10-Р от 29.10.2010 г.

8. ОКР «Разработка и поставка аппаратно-программного комплекса для проведения анализа взаимовлияний электрических сигналов бортовой аппаратуры». Хоздоговор №28/08 от 14.04.2008 г., шифр «АПК-ТУСУР», генеральный заказчик Министерство обороны РФ. Комплекс предназначен для анализа блоков управления космических аппаратов. Обзор программного обеспечения, представленный в отчете от 18.09.2009 г. №28/08-ОТ-БЭМС РЭС-001 по этапу 1 «Разработка технического проекта», позволил обосновать состав специализированного лицензионного программного обеспечения данного комплекса.

Апробация результатов

Результаты диссертационной работы докладывались и представлялись в материалах следующих симпозиумов и конференций:

1. Научно-техническая конференция "Электронные и электромеханические системы и устройства", г. Томск, ОАО «НПЦ «Полюс» 2008 г.

2. Всероссийская научно-техническая конференция студентов, аспирантов и молодых ученых «Научная сессия ТУ СУР», г. Томск, 2008, 2009, 2011.

Публикации. Результаты исследований, представленных в диссертации, опубликованы в 6 работах:

Публикация, издание, объём Количество

Статья, журналы из перечня ВАК, (3-5 с.) 2

Полный доклад, Труды отечественных симпозиумов и конференций (3-5 с.) 3

Тезисы доклада, Материалы конференций (2 с.) 1

ИТОГО: 6

Структура и объём диссертации. В состав диссертации входят введение,

4 главы, заключение, список литературы из 50 наим., 10 приложений. Объём диссертации - 154 е., в т.ч. 119 рис. и 17 табл.

Личный вклад. Все результаты работы получены автором лично. Положения, выдвигаемые для публичной защиты

1. Использование кольцевых полуволновых вибраторов на ІШ4003 позволяет создать для абонентских станций «\¥іМіс» узконаправленные микрополосковые антенные решетки, способные работать в двух соседних диапазонах частот.

2. Использование расширяющегося по длине полуволнового вибратора, лестничного делителя мощности и широкополосного симметрирующего устройства позволяет создать для станций «\ViMic-6000» и «\ViMic-2000» возимые всенаправленные микрополосковые антенные решетки с относительной рабочей полосой 15% и 30% соответственно.

3. Использование полуволнового вибратора с директором, запитываемого широкополосным симметрирующим устройством, на ІЮ4003, позволяет разработать для базовых станций «\¥іМіс» секторные микрополосковые антенные решетки, способные работать в двух соседних диапазонах частот.

Краткое содержание работы. В гл. 1 рассмотрены основные характеристики СТІІБД «\ViMic-6000», приведено описание комплекса мобильной связи «МИК-МКС», проведен обзор существующих на рынке отечественных и зарубежных АР и их излучателей для различных применений, выполнен обзор программного обеспечения, представлена обобщенная методика создания АР. В гл. 2 представлены результаты разработки и создания излучателей и АР для абонентских станций «\¥іМіс-6000». В гл. 3 представлены результаты разработки и создания на различных материалах возимых всенаправленных микрополосковых АР для станций «\\^іМіс-2000» и «\УіМіс-6000». В гл. 4 представлены результаты разработки секторных микрополосковых АР для систем широкополосного беспроводного доступа «\УіМіс-2000» и «\УіМіс-6000». В заключении сделаны выводы по работе. Далее приведён список литературы. В приложении представлены аналитический обзор программного обеспечения и краткое описание использования результатов работы с копиями подтверждающих документов.

Заключение диссертации по теме «Антенны, СВЧ устройства и их технологии», Дмитриченко, Евгений Викторович

Результаты работы, полученные проверенными методами, апробированные и опубликованные, а также широко использованные, позволяют сделать следующие выводы.

1. Получены модели и опытные образцы направленных АР, работающих в двух диапазонах частот, из 16 и 64 кольцевых излучателей для СШБД «\ViMic». Выявлено, что для построения широкополосных направленных АР подходит полуволновой вибратор, плечи которого загнуты в кольцо. Делитель мощности для АР, при использовании излучателя такого типа, удобнее всего строить на основе ненаправленных тройников с использованием подвешенно-обращенной МПЛ, имеющих широкую полосу пропускания.

Опытные образцы были исследованы на предмет соответствия расчетных и экспериментальных данных зависимости модуля коэффициента отражения от частоты. Сняты ДН для АР из 64 кольцевых излучателей для двух рабочих частот. В результате сравнения расчетных данных с экспериментальными, выявлено их соответствие, что свидетельствует о правильности расчетов и выбранных решений для достижения поставленной задачи.

Результаты проведенной работы использованы в НИР «Антенна» для «НИИСЭС ТУ СУР» по договору 12/10/СЭС от 11.01.2010 г. Состав НИР включал в себя: разработку широкополосных АР для СШБД «\У1Мю-6000»; изготовление и исследование характеристик опытных образцов для системы связи специального назначения с псевдослучайно перестраиваемыми частотами. Система находится на этапе внедрения в различные комплексы связи специального назначения.

2. Получены модели и опытные образцы всенаправленных АР на материалах Р11-4 и 1Ю4003 для СШБД «\yiMic». Выявлено, что задачу построения всенаправленной планарной АР можно решить при использовании, в качестве излучателя, расширяющего по длине полуволнового вибратора, лестничной схемы деления мощности и широкополосного симметрирующего устройства. Полученные результаты свидетельствуют о том, что полоса пропускания всенаправленных АР почти в 5 раз превосходит полосу пропускания прототипа.

Правильность результатов моделирования подтверждается соответствием с экспериментальными данными. АР прошли полевые испытания в составе комплекса «МИК-МКС».

Результаты проведенной работы использованы при выполнении:

- ОКР 2007-2009 гг.: «Редут-2УС-М»; «МИК-АМ» для ФГУП «НИИССУ» по договорам: № 502-М/07 от 03.04.2007 г.; 501/41-08 от 01.09.2008 г.; 05/09нто от 11.03.2009 г. Проект «Редут-2-УС-М» - мобильные комплексы связи, предназначенные для быстрого развертывания сетей беспроводного доступа, оборудованные СШБД «WiMic-2000». Комплексы прошли государственные испытания и поставлены на вооружение и снабжение по государственному оборонному заказу «МИК-АМ» - мобильные комплексы связи, применяемые для гражданских нужд, оборудованы СШБД «WiMic-бООО». Комплексы прошли полевые испытания и находятся на этапе внедрения в различные комплексы связи;

- ОКР «Разработка опытных образцов и создание серийного производства фиксированной связи широкополосного беспроводного доступа стандарта WiMax IEEE 802.16d и 802.16е» договор №13G25 31 0011 от 07.09.2010 г. по постановлению 218 Правительства РФ;

-договора №49/11-ОЭ от 09.06.2011 г. для ООО «Оптимальные телекоммуникации» ;

-договора №154/10-Р от 29.10.2010 г. для ООО «Амурские системные сети».

3. Получены расчетные модели секторных антенных решеток, работающих в двух диапазонах частот, для СШБД «WiMic». Выявлено, что задачу построения секторных АР можно решить при использовании полуволнового вибратора с директором, запитываемого широкополосным симметрирующим устройством.

Результаты проведенной работы использованы в НИР «Антенна» для «НИИСЭС ТУ СУР» по договору 12/10/СЭС от 11.01.2010 г. Состав НИР включал в себя: разработку широкополосных АР для СШБД «WiMic-бООО»; изготовление и исследование характеристик опытных образцов для системы связи специального назначения с псевдослучайно перестраиваемыми частотами. Система находится на этапе внедрения в различные комплексы связи специального назначения.

Совокупность этих выводов позволяет считать цель работы достигнутой.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Список литературы диссертационного исследования кандидат технических наук Дмитриченко, Евгений Викторович, 2012 год

1. Воскресенский Д.И. Устройства ВЧ и антенны / Воскресенский Д.И., Гостюхин В.Л., Максимов В.М., Пономарев Л.И. Изд. 2-е, доп. И перераб. - М.: Радиотехника, 2006. - 376 с.

2. Панченко Б.А. Микрополосковые антенны / Б.А. Панченко, Е.И. Нефедов. М.: Радио и связь, 1986. - 147 с.

3. Сазонов Д.М. Антенны и устройства СВЧ. М.: Высшая школа, 1988. -432 с.

4. WiMAX: бой после победы / А. В. Голышко // Wireless Russia. 2006. -№ 2. - с. 24-26.

5. П. Рошан, Д. Лиэри. Основы построения беспроводных локальных сетей стандарта 802.11. М., С-Пб, К.: Вильяме, 2004.

6. J. Thiel Metropolitan and Regional Wireless Networking: 802.16, 802.20 and 802.22 URL: http://www.rajjain.com/cse574-06/ftp/wimax.pdf

7. P. Woodward. Wireless Technologies. An Overview of Different Technologies and How They Are Used. Wireless Solutions ВТ, URL: http:// www.comp.leeds.ac.uk/syl 1 /Woodward.pdf

8. Сайт компании ЗАО «НПФ Микран» Электронный ресурс. Режим доступа cBo6oflHbm:http://www.micran.ru/productions/telecommunication/wireless/

9. Сайт компании ЗАО «НПФ Микран» Электронный ресурс. Режим доступа свободный: http://www.micran.ru

10. Сайт компании ООО «Резонанс» Электронный ресурс. Режим доступа свободный: http://antennas.spb.ru/productsrus.htm.

11. Сайт компании «Baidu» Электронный ресурс.- Режим доступа свободный: http://wenku.baidu.com/view/455a75f90242a8956bece47d.html 12021.

12. Сайт компании ООО НПФ «Delta Sattelite» Электронный ресурс. -Режим доступа свободный: http://www.antenna-ds.ru/index.php/catalog/item/60-/ds-6000-19.

13. Сайт United States Patents Электронный ресурс. Режим доступасвободный: http://www.google.com/patents?id=gdwRAAAAEBAJ&printsec=abstra ct&zoom=4&source=gbsoverviewj"&cad=0#v=onepage&q&f=false.

14. Сайт журнала «Технологии и средства связи» Электронный ресурс. -Режим доступа cBo6oflHbm:http://www.tssonline.ru/articles2/podv/evolyuc-anten-fidem-i-vspomogat-oborad-dlya-sistem-mobiln-svyazi-tretego-pokolen.15. Автореферат

15. П. Ю. Деркачев, Г. Н. Егоров, А. А. Илатовский, В. М. Мусинов, Д. С. Федоров Разработка печатных щелевых излучателей для АФАР миллиметрового диапазона длин волн // Электромагнитные волны и электронные системы. 2011 г. №6. С. 62-65.

16. Gibson P. J. The Vivaldi aerial // 9th Eur.Microw. Conf. Brighton. U.K. 1979. P. 101-105.

17. Вендик О. Г., Парнес М. Д. Антенны с электрическим сканированием. М.: Сайнс-Пресс. 2002.

18. Ellgardt A., Wikstrom A. A Single Polarized Triangular Grid Tapered-Slot Array Antenna //IEEE Trans. Antennas Propag. 2009. V. AP-57. № 9. P. 2599-2607.

19. S.Y. Suh, A.E. Waltho, V.K. Nair, W.L. Stutzman, W.A. Davis. Evolution of Broadband Antennas from Monopole Disc to Dual-polarized Antenna / Proc. of 2006 IEEE Antennas and Propagation Society Int. Symp- Albuquerque, NM USA 9-14 July 2006.-P. 1631-1634.

20. N. E. Lindenblad, "Antennas and Transmission Lines at the Empire State Television Station," Communications, pp. 10-26, April, 1941.

21. Radio Research Laboratory (U.S.), "Very High-frequency Techniques," McGraw Hill, New York, pp. 1-25, 1947.

22. B. J. Lamberty, "A class of low gain broadband antennas," 1958 IRE Wescon Convention Record, pp. 251-259, August 1958.

23. H. Brown and O.M. Woodward Jr., "Experimentally Determined RadiationCharacteristics of Conical and Triangular Antennas," RCA review, vol. 13, pp. 425-452, December 1952.

24. S. Honda, M. Ito, H. Seki and Y. Jinbo, "A disc monopole antenna with 1:8 impedance bandwidth and omni-directional radiation pattern," Proc. ISAP '92 (Sapporo, Japan), pp. 1145-1148, Sep. 1992.

25. R. M. Taylor, "A broadband Omni-directional Antenna," IEEE Antennas and Propagation Society International Symposium Digest (Seattle), vol. 2, pp. 1294— 1297, June 1994.

26. N.P. Agrawall, G. Kumar, and K.P. Ray, "Wide-band Planar Monopole Antennas IEEE Trans, on Antennas and Propagation, vol. 46, No. 2, pp. 294-295, Feb. 1998.

27. K.L. Wong, S.W. Su, and C.-L. Tang, "Broadband Omnidirectional metal-plate Monopole Antenna," IEEE Trans, on Ant. and Prop., vol. 53, No. 1, pp. 581-583, Jan. 2005.

28. S.Y. Suh, W.L. Stutzman, W.A. Davis, A.E. Waltho, K.W. Skeba, J.L. Schiffer, AUWB Antenna with a Stop-band Notch in the 5 GHz WLAN band, IEEE ACES Symposium, April 2005, Session 5.8.

29. S.Y. Suh, W.L. Stutzman, W.A. Davis, A. Waltho, and J. Schiffer, "A Novel Broadband Dipole Teardrop Antenna, LPdiPICA," IEEE Antennas and Propagation Society International Symposium Digest (Monterey), vol. 1, pp. 775-778, June, 2004.

30. Электронный ресурс.- Режим доступа свободный: http:// www.wimaxinfo.ru/info/faq/wimaxmimoantennas.

31. Сайт компании ООО "ТехноАЛЕТ" Электронный ресурс. Режим доступа свободный: http://www.alet.ru/ru/production/katalog/materialy-dlja-pechatnyh-plat/ faf-4d.

32. G.Kumar, K.P. Ray. Broband Microstrip Antennas / India: 2002.

33. Сайт компании «Rogers Corporation» Электронный ресурс. Режим доступа cвoбoдный:http://www.rogerscorp.com/.

34. Проектирование полосковых устройств СВЧ / уч. пособие. Ульяновск 2001 г. - 123 с.

35. Ротхаммель К. Антенны: Пер. с нем. 3-е изд., доп. - М.: Энергия, 1979.320 c.

36. Puglia K.V. Electromagnetic Simulation of Some Common Balun Structures // IEEE microwave magazine. September 2002. - P. 56-61.