Радиотехника и связь 49 Наука Science & Technique техника, № 4, 2013 и Р А Д И О Т Е Х Н И К А И С В Я З Ь УДК 621.391 МОДЕЛИРОВАНИЕ МНОГОЛУЧЕВЫХ АНТЕНН ДЛЯ ТЕЛЕКОММУНИКАЦИОННЫХ СИСТЕМ Чл.-кор. НАН Беларуси, докт. техн. наук МУРАВЬЕВ В. В., канд. техн. наук, доц. ТАМЕЛО А. А., студенты ЛЕБЕДЕВ В. М., СТЕПУК А. А. Белорусский государственный университет информатики и радиоэлектроники Появление высокоскоростных телекомму- никационных систем мобильной и персональ- ной связи с сотами большого радиуса и высо- кой пропускной способностью требует созда- ния базовых станций с многолучевыми антен- нами. Многолучевые антенны представляют собой устройства, способные формировать в пространстве несколько диаграмм направлен- ности, каждой из которых соответствует опре- деленный входной канал антенны. Такие ан- тенны имеют большие функциональные воз- можности и позволяют осуществлять парал- лельный обзор пространства в широком секто- ре углов с высокой степенью разрешения, од- новременное сканирование несколькими неза- висимыми лучами. Применение данных антенн в спутниковых системах значительно увеличи- вает зону покрытия. Использование узких лу- чей на базовой станции позволяет разделить терминалы по пространству и в разных лучах повторять выделенную полосу частот, что по- вышает число каналов связи. В режиме приема многолучевые антенны дают возможность работать с 2–3 спутниками одновременно. Для систем тропосферной связи применение многолучевых систем позволяет создать малогабаритные мобильные системы с разнесением лучей по углу места для эффек- тивной борьбы с замираниями сигнала и полу- чить более высокие скорости передачи инфор- мации. Применение многолучевых антенн от- крывает возможность перевода сотовых и тропосферных систем в диапазон 10–20 ГГц, где появляется возможность выделения более широких полос частот и снижаются габариты и вес антенн. В статье рассматривается моделирование четырехлучевой антенной системы сантимет- рового диапазона на основе зеркальной антен- ны (центральная частота рабочего диапазона – 10 ГГц). Выбор облучателей. Совершенно очевид- но, что облучатель зеркальной антенны являет- ся весьма ответственным узлом антенной си- стемы. Желательно, чтобы диаграмма направ- ленности облучателя была однонаправленной, имела осевую симметрию и минимальный уро- вень боковых лепестков. Облучателями обычно являются вибраторные, щелевые, рупорные ан- тенны. Выберем в качестве облучателя пира- мидальный рупор (рис. 1). К достоинствам ру- порных облучателей можно отнести простоту конструкции и хорошие диапазонные свойства. Параметры диаграммы направленности (рис. 2) выбранного облучателя следующие: ширина главного лепестка ДН: в плоскости E: 2θ0,5 = 0,40 рад = 23°; в плоскости H: 2θ0,5 = 0,55 рад = 31°; коэффициент направленного действия и коэффициент усиления по мощности: Кнд = = 15,0 дБ; KP = 13,5 дБ. Рис. 1. Пирамидальный рупорный облучатель 3 5 м м 60 мм 40 мм 23 10 мм Радиотехника и связь 50 Наука и Science & Technique техника, № 4, 2013 –180 –120 –60 0 60 , град. 180 Рис. 2. Диаграмма направленности рупорной антенны в Е и Н плоскостях Четырехлучевое излучение можно обеспе- чить, используя облучатель в виде решетки из четырех пирамидальных рупоров. В ходе ис- следований было установлено, что требуемый вид диаграммы направленности решетки воз- можно получить при использовании фазовра- щателей в фидерном тракте. В качестве фазовращателей в диапазоне СВЧ широкое применение нашли полупроводниковые (pin-диодные) и ферритовые фазовращатели. Ти- повые характеристики полупроводниковых фа- зовращателей приведены в табл. 1 [1]. Таблица 1 Характеристики фазовращателя Рабочая частота, Гц 1010 Процент изменения фазы, % ±4 Число разрядов 2 Рабочая мощность, Вт 10 Потери, дБ 1,1 Быстродействие, с 10–6 Мощность управления, Вт 0,1 Количество pin-диодов 3,0 Результаты компьютерного моделирования показали (рис. 3), что такая конструкция дей- ствительно обеспечивает четырехлучевое излу- чение. Решетка облучателей дает следующие значения коэффициента направленного дей- ствия и коэффициента усиления по мощности: Кнд = 17,8 дБ; KP = 16,0 дБ. Решетка с каскадным расположением из- лучателей. Альтернативой решетке, в которой все элементы расположены в одной плоскости, может являться так называемая каскадная или террасная конструкция (рис. 4), которая по- дробно рассмотрена в [2]. По сути, это антенная решетка с пространственным расположением элементов, которые смещены в пространстве относительно друг друга вдоль оси излучения. Результатом этого смещения являются разные фазы поля различных элементов в точке наблюдения. Подобный подход позволяет, например, избежать использования фазовраща- телей. Рис. 3. Решетка облучателей и относительный сдвиг начальных фаз возбуждения Рис. 4. Каскадная схема решетки облучателей Также в [2] отмечается, что существует не- кое оптимальное значение сдвига, при котором значение КНД решетки достигает максималь- ного значения. Террасное расположение эле- ментов позволяет снизить отрицательный эф- фект от взаимного влияния друг на друга излу- чения соседних элементов. В результате при многолучевом излучении достигается гораздо меньшее, чем при использовании плоской ре- шетки, различие КНД отдельных лучей. Однозеркальная антенна. В зеркальных антеннах в качестве формы зеркала часто ис- пользуют полный параболоид вращения. Мы же рассмотрим вариант антенны с зеркалом в виде симметричной вырезки из такого пара- 1,0 Е( )/Еmax 0,8 0,7 0,6 0,5 0,4 0,3 0,2 0,1 0 FЕ( ) FН( ) 1 – = 180 2 – = 0 3 – = 180 4 – = 0 Радиотехника и связь 51 Наука Science & Technique техника, № 4, 2013 и болоида (рис. 5). Параметры прямоугольной вырезки выбраны исходя из особенностей тро- посферного распространения радиоволн: Lx = = 1,03 м; Ly = 1,75 м. Также использование по- добной формы зеркала помогает снизить уро- вень мощности, возвращаемой в фидерный тракт, из-за того, что облучатель находится в фокусе зеркала. Рис. 5. Симметричная вырезка из параболоида вращения Для обеспечения более выраженного мно- голучевого характера излучения необходимо сместить решетку облучателей вдоль фокаль- ной оси на 10–20 см, тем самым увеличив фазо- вую ошибку. На рис. 6 изображена однозер- кальная антенна с симметричной вырезкой из параболоида вращения и решеткой облучате- лей, где сдвиг фазы, с которой возбуждаются излучатели, задается фазовращателем. Решетка расположена на расстоянии 0,9 м от параболо- ида. На рис. 7 показана трехмерная диаграмма направленности, полученная по результатам компьютерного расчета модели. Видно, что из- лучение антенны имеет четыре главных луча. Лучи отклонены на 5° по углу θ. Рис. 6. Однозеркальная антенна с решеткой облучателей В случае использования решетки с террас- ным расположением излучателей диаграмма имеет тот же вид, однако при этом, как и пред- полагалось, обеспечиваются лучшие энергети- ческие параметры: коэффициент направленного действия и коэффициент усиления по мощности соответ- ственно равны: Кнд = 26,0 дБ; KP = 23,5 дБ; при использовании решетки с террасным расположением облучателей коэффициент на- правленного действия и коэффициент усиления по мощности равны: Кнд = 28,5 дБ; KP = 25,7 дБ. –180 –120 –60 0 60 , град. 180 Рис. 7. Диаграмма направленности однозеркальной антенны Здесь стоит отметить существенный недо- статок однозеркальных антенн. Он заключается в том, что к облучателю необходимо подво- дить возбуждающую линию большой волновой и физической длины. Эта линия находится в поле волны, отраженной от зеркала, затеняет часть раскрыва, на ней происходит рассеяние поля, что ведет к росту боковых лепестков диа- граммы направленности. Кроме того, в зер- кальных антеннах с механическим сканирова- нием перемещение облучателя относительно фокуса требует перемещения и линии передач, что ведет к усложнению конструкции антенны. Этот недостаток отсутствует в двухзеркальной конструкции. Расчет и моделирование двухзеркальной антенны типа Кассегрена. Двухзеркальная ан- тенна состоит из трех основных элементов: глав- ного зеркала (рефлектора), вспомогательного зеркала (контррефлектора) и облучателя. Контр- рефлектор часто представляет собой гиперболо- ид вращения. В данной статье рассмотрим ан- тенну, построенную по схеме Кассегрена. В роли рефлектора выступает рассмотренная ранее сим- метричная вырезка из параболоида вращения. Антенна (рис. 8) имеет следующие размеры: размеры рефлектора: Lx = 1,03 м; Ly = = 1,75 м; диаметр малого зеркала: Dм = 0,5 м. Х Х Lx Lу Y Z Z 1,0 Е( )/Еmax 0,8 0,6 0,4 0,2 0 Радиотехника и связь 52 Наука и Science & Technique техника, № 4, 2013 Рис. 8. Двухзеркальная антенна типа Кассегрена Моделирование показало, что антенна так- же обеспечивает четырехлучевое излучение (рис. 9) с параметрами: коэффициент направ- ленного действия и коэффициент усиления по мощности: Кнд = 18 дБ; KP = 16 дБ. –180 –120 –60 0 60 , град. 180 Рис. 9. Диаграмма направленности двухзеркальной антенны Видно, что по сравнению с однозеркальной конструкцией двухзеркальная обеспечивает меньшие Кнд и KP. Это можно объяснить влия- нием на излучение антенны зеркала-контр- рефлектора. Малое зеркало затеняет значитель- но большую область перед апертурой главного зеркала, чем облучатель в однозеркальной ан- тенне, что является причиной снижения уровня главного максимума. В свою очередь, отраже- ния от края контррефлектора и затекание токов за малое зеркало способствуют повышению уровня боковых лепестков диаграммы направ- ленности. Расширение рабочего диапазона частот. Рабочий диапазон частот зеркальной антенны определяется рабочим диапазоном ее облучате- ля. Так, пирамидальные рупорные антенны позволяют вести работу обычно в диапазоне шириной в несколько единиц гигагерц (напри- мер, рассмотренная ранее конструкция обес- печивает одномодовый режим для частот 8–12 ГГц). При необходимости работы в диапа- зоне шириной 10–20 ГГц возможно применение широкополосных рупоров специальной кон- струкции, так называемых гребневых рупоров или рупоров на основе Н-образного волново- да (рис. 10). Рис. 10. Конструкция рупора на основе Н-образного волновода (в разрезе) Н-образный волновод сам по себе способен работать в более широком диапазоне частот по сравнению с аналогичным прямоугольным вол- новодом. Применение коаксиально-волновод- ного перехода для питания антенны позволяет еще больше расширить рабочий диапазон, так как переход предотвращает возбуждение пер- вого высшего типа колебаний, следующего за основным. В рупорной части антенны ребра волновода продлеваются в раскрыв, причем их высота по- степенно уменьшается (обычно по экспоненци- альному закону). В связи с тем, что электро- магнитное поле в такой конструкции имеет максимальную концентрацию в зазоре между ребрами, то ее использование обеспечивает плавную трансформацию волнового сопротив- ления фидерной линии в сопротивление сво- бодного пространства. Становится возможным согласование антенны в значительно более ши- роком, чем для обычных рупорных антенн, диапазоне частот. Моделирование и электродинамический анализ излучающей конструкции, представлен- ной на рис. 10 (имеющей волновые разме- ры, сравнимые с волновыми размерами рас- смотренных ранее пирамидальных рупоров), показали, что удовлетворительные рабочие параметры антенна обеспечивает в диапазоне 4,5–19,0 ГГц. На рис. 11 приведена трехмерная диаграмма направленности рупора на частоте X/U 1,0 Е( )/Еmax 0,8 0,6 0,4 0,2 0 Радиотехника и связь 53 Наука Science & Technique техника, № 4, 2013 и 10 ГГц. На этой частоте антенна имеет ко- эффициент направленного действия, равный 14,5 дБ. Рис. 11. Диаграмма направленности Н-образного рупора При использовании решетки, состоящей из таких рупоров, в качестве облучателя одно- зеркальной антенны, рассмотренной ранее, вид диаграммы направленности сохраняется (рис. 12, 13), однако уровень боковых лепест- ков уменьшается до –32 дБ. Рис. 12. Диаграмма направленности (трехмерный вид) однозеркальной антенны при облучении решеткой Н-образных рупоров Значительное улучшение направленности можно объяснить выбором облучателя. В силу лучшего согласования, а также особенностей фазового распределения на раскрыве, гребне- вые рупоры по сравнению с простыми рупора- ми имеют более узкую диаграмму направлен- ности главного лепестка и меньший уровень боковых лепестков. Диаграмма направленности двухзеркальной антенны при облучении рупорами Н-образного сечения также не претерпевает заметных каче- ственных изменений. Однако, что существенно, в обоих случаях расширяется рабочий диапа- зон, в котором можно осуществлять работу данной антенной системы. –130 –90 –45 0 45 , град. 130 Рис. 13. Диаграмма направленности однозеркальной антенны при облучении решеткой Н-образных рупоров В Ы В О Д Ы На основании моделирования многолучевых антенн установлено, что в однозеркальной антенне с террасным расположением четырех облучателей можно достичь коэффициента на- правленного действия, равного 28,5 дБ. Применяя облучатели на основе Н-образ- ного волновода, можно в 3–3,5 раза расширить рабочий диапазон частот антенны и уменьшить уровень боковых лепестков до –32 дБ. Исследованиями также установлено, что использование двухзеркальной антенны в каче- стве многолучевой приводит к уменьшению коэффициента направленного действия и уве- личению уровня боковых лепестков. Л И Т Е Р А Т У Р А 1. Устройства СВЧ и антенны / Д. И. Воскресенский [и др.]. – М.: Радиотехника, 2006 – 378 с. 2. Majorova, E. K. A multielement array in the radio tel- escope focus / E. K. Majorova, V. B. Khaikin // Bull. Spec. Astrophys. Obs. – 2000. – № 50. – C. 91–103. Поступила 06.06.2012 Y Z Y X X 1,0 Е( )/Еmax 0,8 0,6 0,4 0,2 0