Новости
09.05.2023
с Днём Победы!
07.03.2023
Поздравляем с Международным женским днем!
23.02.2023
Поздравляем с Днем защитника Отечества!
Оплата онлайн
При оплате онлайн будет
удержана комиссия 3,5-5,5%








Способ оплаты:

С банковской карты (3,5%)
Сбербанк онлайн (3,5%)
Со счета в Яндекс.Деньгах (5,5%)
Наличными через терминал (3,5%)

РЕЗУЛЬТАТЫ ЭЛЕКТРОДИНАМИЧЕСКОГО МОДЕЛИРОВАНИЯ ЛИНЗОВОЙ АНТЕННЫ РЭС Е- ДИАПАЗОНА ДЛИН ВОЛН

Авторы:
Город:
Орел
ВУЗ:
Дата:
21 апреля 2018г.

Сегодня многие страны осваивают Е-диапазон длин волн (71-76, 81-86, 92-95 ГГц) для создания беспроводных систем связи типа "точка-точка", беспроводных вставок (радиомостов) в ВОЛС при преодолении естественных и искусственных препятствий, не позволяющих проложить оптический кабель, развертывания распределительных сетей на различных инфраструктурах сотовой связи 4G/LTE/5G, резервирования высокоскоростных каналов связи и фрагментов сетей передачи мультимедийной информации [3,8,11].

Одним из важных достоинств Е-диапазона является возможность существенного снижения габаритов антенных систем, обеспечивающих, тем не менее, формирование узкой диаграммы направленности (ДН) [3]. Кроме удешевления за счет меньших размеров более миниатюрные антенны испытывают гораздо меньшую ветровую нагрузку, что положительно влияет на общую стоимость системы связи миллиметрового диапазона.

Подавляющее большинство производителей оборудования РЭС Е-диапазона комплектуют свою продукцию параболическими антеннами, как правило, осесимметричными двухзеркальными системами Кассегрена диаметром 30-60 см [3, 8]. Однако, на рынке радиоэлектронного оборудования миллиметрового диапазона, активно развиваются фирмы, предлагающие в качестве антенных систем РЭС Е-диапазона интегрированные линзовые антенны – LightPointe (США) [4], ELVA-1 (Латвия – Россия) [14], компания "ДОК" (Санкт-Петербург) [5]. Исследованием возможностей интегрированных линзовых антенн в составе радиомостов миллиметрового диапазона в течение последних пяти лет занимается японская компания NEC [12, 13]. Основное отличие СВЧ оборудования различных производителей в Е-диапазоне заключается в аппаратной реализации выходных узлов приемопередающего модуля и устройств согласования его с антенной системой.

При проектировании сети, линии, интервала или пролета Е-диапазона особое внимание уделяется общей энергетике системы. Определяющим параметром энергетики таких линий и интервалов наряду с мощностью передающего устройства, является коэффициент усиления антенны, который напрямую влияет на дальность связи и позволяет компенсировать затухание сигнала миллиметрового диапазона, когда оказывается недостаточным динамический диапазон автоматической регулировки приемного устройства и автоматической регулировки мощности передатчика.

Расчеты диаметра линзовой антенны [1, 7] для Е- диапазона длин волн показали, что его максимальное значение не превышает 29–30 см, в то время как у зеркальных систем этот параметр соответствует начальным (минимальным) размерам поверхности рефлектора для рассматриваемого диапазона. Последнее обстоятельство позволяет предположить, что при использовании однородных радиолинз в качестве антенных систем Е- диапазона при одинаковой протяженности интервала, мощности передающего устройства, чувствительности приемника, ширине канала передачи данных и модуляции, по сравнению с антеннами зеркального типа, возможно оснащение РЭС антенно-фидерными устройствами с меньшими габаритными размерами и массой [8]. Для проверки такого предположения было проведено электродинамическое моделирование в пространственно-временной области линзовой антенны с использованием САПР CST Studio.

В работе демонстрируется возможность моделирования линзовой антенны Е-диапазона длин волн с акцентом на расчет ДН и исследование зависимости параметров характеристики направленности антенны от диаметра радиолинзы.

Исходные данные для моделирования линзовой антенны

Внешний вид антенны, геометрия радиолинзы и обозначения переменных моделирования показаны на рис. 1.


Количественные значения переменных электродинамической модели представлены на рисунке 2.


Задание граничных условий

Граничные условия задавались путем установки шести границ, окружающих моделируемую антенну. Для этого активировалось окно Boundary Condition из состава меню САПР. В CST Studio имеются шесть типов границ [9], представленных в таблице 1.

Таблица 1 – Типы граничных условий в CST Studio

 

п.п.

Тип граничного условия

Описание граничного условия

 

1

 

Electric

Идеальная электрическая стенка – все тангенциальные

составляющие поля равны нулю и нормальные составляющие магнитного поля устанавливаются равными нулю.

 

2

 

Magnetic

Идеальная     магнитная     стенка,     на     которой     все

тангенциальные составляющие магнитного поля и нормальные компоненты электрического поля устанавливаются равными нулю.

 

3

 

Open (PML)

Открытое      пространство     –      электромагнитные     волны

проходят через эту границу с минимальным отражением.

 

4

 

Open (add space)

Условие   аналогичное   Open   (PML),   но   добавляется

дополнительное пространство для расчета дальнего поля излучения антенны. Опция рекомендуется для антенных задач.

 

 

 

5

 

 

 

Periodic

Условия, связывающие две противоположные границы с

фазовым сдвигом, так что область расчета периодически расширяется в соответствующем направлении. Необходимо, чтобы всегда обе границы касались друг друга, что показывает их периодическое повторение.

6

Conducting Wall

Условие,     соответствующее     металлическим    стенкам     с

потерями.

 

В процессе моделирования все граничные условия были установлены как "open", а сзади линзовой антенны – "электрическая стенка". Впереди антенны – "открытая стенка с расширенным пространством".

Волноводный порт для возбуждения антенны задавался на открытом конце цилиндрического волновода. Параметры порта, через который проходит мощность возбуждения, оставлялись заданными по умолчанию. Сигнал возбуждения задавался в диапазоне частот от 60 до 100 ГГц (73 ГГц) и имел синусоидальную форму.

 Определение расчетной диаграммы направленности линзовой антенны

Для сравнения результатов моделирования параметров ДН линзовой антенны в САПР CST Studio было получено аналитическое решение задачи излучения поля из круглого отверстия [6, 10].

При равномерном распределении амплитуд и фаз поля на раскрыве для определения поля излучения круглого отверстия вычислялся интеграл [10]:




ДН круглого отверстия в произвольной плоскости (по модулю результирующего вектора поля) определялась на основе аналитического выражения вида [6, 10]:


Вычисления интеграла (1) и расчет ДН (2) проводились с использованием программного пакета символьной математики Maple 2017. Расчетная ДН линзовой антенны, полученная на основе аналитических выражений (1) и (2), представлена на рис. 3.




Результаты электродинамического моделирования линзовой антенны Е-диапазона САПР CST Studio имеет в своем составе программы электродинамического моделирования на основе ряда методов, в том числе и на основе метода конечных разностей во временной области – МКРВО (Finite- Difference Time-Domain method, FDTD) [9, 15].

Результаты моделирования линзовой антенны Е-диапазона длин волн с использованием пакета моделирования CST Studio представлены на рисунках 4–6.





На рисунках 4–6 обозначены: цифрой 1 – расчетная ДН, цифрой 2 – ДН, полученная в результате моделирования с использованием МКРВО линзовой антенны Е-диапазона.

Достоинством МКРВО является простота и универсальность реализации: метод применяется в тех задачах электродинамики, где требуется получить численное решение в ходе анализа волноводных, микрополосковых и резонансных структур сложной формы; моделирования процессов рассеяния электромагнитных волн на сложных объектах; анализа антенн различной геометрии и активных приборов СВЧ. Эффективность этого метода обусловлена отсутствием матричных уравнений и возможностью за один проход с помощью Фурье-преобразования проанализировать характеристики моделируемого объекта в широкой полосе частот [4].





Анализ полученных характеристик направленности линзовой антенны в зависимости от диаметра диэлектрического резонатора показывает, что с увеличением диаметра излучающего раскрыва уменьшается ширина главного лепестка ДН по уровню 3 дБ, увеличивается коэффициент усиления (КУ) антенны, что свидетельствует о достоверности электродинамического моделирования линзовой антенны Е-диапазона с использованием МКРВО. При этом отсутствует прямая зависимость уменьшения уровня первых боковых лепестков (УБЛ) диаграммы направленности при увеличении диаметра радиолинзы (на рис. 6 – УБЛ выше на 4 дБ по сравнению с антенной меньшего диаметра).

Полученные результаты могут использоваться в процессе проектирования антенных систем РЭС Е- диапазона для обоснования диаметра однородной радиолинзы в диапазоне частот 71-73 ГГц, значения которого могут составлять величину 197-198 мм.

Все три диаграммы направленности линзовой антенны, представленные на рис. 4–6, характеризуются заметными осцилляциями на уровне 0 – 10 дБ, что указывает на проявление фазовых искажений, вносимых радиооптической системой в результате изменения формы преломляющей поверхности линзы. Изменение диаметра радиолинзы нарушает условие постоянства фазы волны, излучаемой источником во всех точках раскрыва. Говоря языком геометрической оптики, лучи, выходящие из раскрыва, не образуют пучок, параллельный оси антенны. Это обстоятельство приводит к наличию сферической аберрации в раскрыве антенны, которая не позволяет реализовать максимальный коэффициент направленного действия (КНД) антенны и минимальный УБЛ (на рис. 6 амплитуда главного лепестка ДН составляет 36 дБи против 36,6 дБи для линзы с диаметром 147,45 мм, и УБЛ для радиолинзы диаметром 197,45 мм почти на 4 дБ выше, чем у линзы меньшего диаметра).

Другим объяснением наличия заметных осцилляций за пределами главного лепестка ДН моделируемой линзовой антенны является проявление краевых эффектов. Краевые эффекты могут характеризовать потери направленности из-за "перелива" энергии за края радиолинзы. В процессе моделирования изменялись геометрические размеры самой линзы, а размеры первичного облучателя оставались неизменными.

При проектировании линзовых антенн краевые эффекты снижают до минимума путем правильного подбора первичного облучателя антенной системы. В рассматриваемом случае диаметр линзы увеличивался, а размеры облучателя, возбуждающего ее оставались постоянными, хотя должны были бы соразмерно изменяться. Действительно, чем больше будут размеры облучателя, тем уже его диаграмма направленности и тем меньше энергии будет проходить за края линзы.

Полученные результаты моделирования линзовой антенны Е-диапазона, подтверждают известный из теории линзовых антенн постулат, который заключается в том, что основное назначение линз с одной преломляющей поверхностью – это формирование диаграммы направленности карандашного типа.

Одним из отличительных свойств профессиональных САПР, в том числе и пакета CST Studio, является возможность анимации – визуализации процессов распространения электромагнитной волны в пространстве и времени. Увидеть ДН карандашного типа моделируемой линзовой антенны с одной преломляющей поверхностью позволяют графики характеристики направленности в трехмерном пространстве (3D). Диаграммы направленности моделируемой антенны в полярной и трехмерной системе координат показаны на рисунке 7.

Оптимизация антенной системы для улучшения параметров диаграммы направленности в процессе моделирования не проводилась.

Электродинамическое моделирование линзовой антенны Е-диапазона длин волн с использованием САПР CST Studio было проведено на ПЭВМ, со следующей конфигурацией: Windows 10 64bit, процессор Intel (R) Core (TM) i7-4790 CPU, имеющий 4 физических и 4 виртуальных ядра, ОЗУ 16 ГБ, объем памяти видеокарты 4 ГБ.

Временные затраты и объем оперативной памяти, необходимые для решения представленной задачи электродинамического анализа однородной радиолинзы и визуализации полученных результатов приведены в таблице 2.





Таблица 2 – Время и объем оперативной памяти для решения задачи электродинамического моделирования линзовой антенны Е-диапазона длин волн

Переменная

моделирования

Время

моделирования

Объем оперативной

памяти ПЭВМ

диаметр линзы Dd = 97,45 мм

42 мин.

234 МБ

диаметр линзы Dd = 147,45 мм

58 мин.

402 МБ

диаметр линзы Dd = 197,45 мм

73 мин.

519 МБ

 

Заключение

Особенность предложенной электродинамической модели линзовой антенны РЭС Е-диапазона длин волн заключается в том, что она обеспечивает получение первичной количественной и качественной оценки параметров диаграммы направленности антенной системы в зависимости от изменения геометрии радиолинзы. Результаты моделирования позволяют определить рациональное значение диаметра радиолинзы при неизменных размерах первичного облучателя и согласующего устройства в диапазоне частот 71-73 ГГц. Форма характеристики направленности, значения уровней первых боковых лепестков ДН позволяют предположить влияние эффекта "переливания" энергии за края излучающего раскрыва антенны при изменении профиля преломляющей поверхности линзы, который не сопровождается соразмерным изменением геометрических параметров первичного облучателя. Полученные результаты моделирования могут быть использованы на различных этапах априорной оценки величины изменения параметров диаграммы направленности интегрированных линзовых антенных систем РЭС Е-диапазона длин волн.

Требуемые объем памяти и временные затраты фактически незначительны в случае осесимметричных однородных радиолинз с одной преломляющей поверхностью и использования метода конечных разностей во временной области в качестве инструмента электродинамического анализа апертурных антенн с круглым и эллиптическим излучающим раскрывом.

 

Список литературы

 

1.          Авдеев С.М. и др. Линзовые антенны с электрически управляемыми диаграммами направленности / С.М. Авдеев, Н.А. Бей, А.Н. Морозов. – М.: Радио и связь, 1987. – 128 с.

2.       Беспроводный мост Airebeam G70. Электронный ресурс. URL: http://www.lightpointe.com (дата обращения 02.03.2018).

3.       Вишневский В., Фролов С., Шахнович И. Радиорелейные линии связи в миллиметровом диапазоне: новые горизонты скоростей // Журнал Связь и телекоммуникации. № 1 (00107). - 2011. Электронный ресурс. URL: http://www.electronics.ru/files/article_pdf/2/article_28 (дата обращения 03.03.2018).

4.          Грибанов А.Н., Ильин Е.В., Зайкин А.Е., Волков А.П. Моделирование фазированных антенных решеток конечных размеров из волноводных и печатных излучающих элементов // Научно-технические серии. Выпуск Устройства СВЧ и антенные системы. Книга 2. Моделирование, проектирование и технологии СВЧ-устройств и ФАР. Под ред. д.т.н., проф. А.Ю. Гринева. – М.: Радиотехника, 2014. – С. 24-35.

5.       ДОК. Системы и компоненты в миллиметровом диапазоне длин волн. Презентация. Электронный ресурс. URL: http://www.dokltd.ru (дата обращения 04.03.2018).

6.          Драбкин А.Л, Зузенко В.Л., Кислов А.Г. Антенно-фидерные устройства. Изд. 2-е, перераб и дополн.– М.: Сов. Радио, 1974. – 536 с.

7.          Жук М.С., Молочков Ю.Б. Проектирование линзовых, сканирующих, широкодиапазонных антенн и фидерных устройств. – М.: Энергия, 1973. – 439 с.

8.       Кочетков В.А., Солдатиков И.В., Черкасов А.Е. и др. Анализ параметров антенн радиорелейных станций Е-диапазона на основе однородных радиолинз // Сб. научных трудов по итогам Межд. научно- практической конференции "Развитие технических наук в современном мире" (11 декабря 2017 г.). Вып.IV. – Воронеж: ИЦРОН, 2017. – С. 94-97.

9.          Курушин А.А. Проектирование СВЧ устройств в CST STUDIO SUITE. – М.: Lambert Academic Publishing, 2015. – 539 с.

10.       Муравьев Ю.К. Антенны в 2-х томах. Т. 1. – Л.: ВКАС, 1963. – 542 с.

11.    Радиомост ДОК, 71-76/81-86 ГГц, 1250 Мбит/с. Электронный ресурс:https://shop.nag.ru/catalog/archive/07394.RRS-1000-7176-8186 (дата обращения 03.03.2018).

12.   Радиорелейные системы ePASOLINK. Электронный ресурс. URL: http://www. nec.com/ru_RU/global/prod/nw/pasolink/products/epaso.html.ru (дата обращения 04.03.2018).

13.   Радиорелейные системы iPASOLINK 100E. Электронный ресурс. URL: http://www. nec.com/ru_RU/global/prod/nw/pasolink/products/ipaso100e.html? (дата обращения 04.03.2018).

14.    РРС -350. Пресс-релиз компании ELVA-1. Электронный ресурс. URL: http://www.elva-1.com (дата обращения 02.03.2018).

15.    Шишкин Н.В., Кочетков В.А., Сивов А.Ю. и др. Структура областей применения численных методов моделирования линзовых антенных решеток СВЧ-диапазона в процессе их проектирования (1-я часть цикла статей) // Научно-технический сборник Техника радиосвязи. – Омск: ОНИИП. – 2016. – Вып. 3 (30). – С. 46-60.