Экспериментальные исследования СШП излучателя

Одним из основных направлений развития современных телекоммуникационных систем и сетей является стремление обеспечить конечного пользователя качественными и новыми услугами связи. При этом параллельно разработчики стремятся решить следующие задачи:

– снижение стоимости услуг связи и оборудования, энергопотребления и производственных затрат;

– обеспечение доступа к качественным услугам связи большей массе населения для повышения качества жизни;

– уменьшение отрицательного воздействия на окружающую среду и живых существ;

– повышение конкурентоспособности отечественных производителей;

– защита персональных данных при проведении финансовых операций.

Представленный в работе образец фрактального миниатюрного антенного излучателя (ФМАИ) предназначен для излучения и приема сигналов в составе фазированной антенной решетки (ФАР), используемой в качестве элемента антенно-фидерного тракта экспериментального стенда «Радио по оптоволокну». Данный ЭС является прототипом системы СШП – RoF и пилотным образцом подобной системы на территории РФ, разработанной в рамках соглашения о предоставлении субсидии №14.574.21.0058.

Проведенный анализ научно-информационных источников в области разработки сверхширокополосных (СШП) приемо-передающих антенн [1-9] позволяет сделать вывод о том, что современные антенны выполнены по микропо-лосковой технологии и имеют целью расширение диапазона рабочих частот при обеспечении достаточного согласования и малых размеров за счет применения новых структур и геометрий излучающих элементов. Разработанные образцы ФМАИ соответствуют последним разработкам в области проектирования СШП-антенн, они характеризуются широким диапазоном рабочих частот (3,13…15 ГГц), простотой при серийном производстве (размеры ФМАИ составляют 19×39 мм2) и совместимостью с интегральными схемами. Это в свою очередь создает возможность удешевления и миниатюризации оборудования базовых и мобильных станций в случае применения ФМАИ в составе пикосотовых беспроводных сетей ШПД.

Помимо указанного стенда ФМАИ могут найти применение в составе существующих систем связи (Wi-Fi, 3G, 4G), а также в новых разрабатываемых, в том числе СШП-RoF и сетях 5G.

Целью данной работы является проведение экспериментальных исследований образцов ФМАИ для подтверждения расчетных характеристик, а именно потерь на отражение S11, коэффициента передачи S21, КСВН, входного сопротивления и диаграммы направленности (ДН).

Описание ФМАИ

ФМАИ предназначен для приема и передачи радиосигналов в диапазоне рабочих частот от 3,13 до 15 ГГц. Данный диапазон определен для частот, на которых значение КСВН ≤ 2. Предварительные расчеты и подробное описание имитационного моделирования ФМАИ с использованием прораммного обеспечения (ПО) CST Mi-crowave Studio (MWS) представлено в [10].

Рисунок 1. Габаритные размеры ФМАИ

Внешний вид изделия с указанием размеров показан на рисунке 1: ФМАИ представляет собой широкополосную антенну, изготовленную на армированном материале Rogers RO4350B на основе термореактивного полимера с добавлением керамики. Используемый материал Rogers RO4350В технологически прост в обработке и имеет прочную подложку, усиленную стекловолокном. Характеристики материала: толщина подложки: 0,762 мм; толщина фольги: 35 мкм; диэлектрическая проницаемость материала: 3,48±0,05; тангенс угла диэлектрических потерь на частоте 10 ГГц: 0,0037.

Рисунок 2. Внешний вид ФМАИ

Подключение ФМАИ осуществляется SMA-разъемом, тип SMA 72970 Pomona (female), установленным на плату антенны методом пайки (см. рисунок 2).

Результаты моделирования ФМАИ

Как было сказано, моделирование ФМАИ осуществлялось с использованием ПО CST MWS. В процессе расчетов были получены и проанализиро- ваны такие характеристики излучателя, как: потери на отражение S11, КСВН, входное сопротивление, ДН; построено распределение поверхностных токов, оценены передаточная функция S21 и фактор подо-

Рисунок 3. КСВH ФМАИ

Указанные характеристики представлены и подробно описаны в [11], кратко отметим следующее:

– КСВН лежит в пределах от 1,1 до 2 в диапазоне 3,13…15 ГГц (см. рисунок 3);

– поверхностные токи распределены симметрично относительно вертикальной оси, большей частью они сконцентрированы в центральном проводнике, по краю плоскости земли (ПЗ) и по краям излучающего элемента (ИЭ), убывая от копланар-ного волноводного порта (точки питания) по направлению к вершине на всех частотах;

Рисунок 4. Частотная зависимость действительной части входного сопротивления

Рисунок 5. Частотная зависимость мнимой части входного сопротивления

– действительная часть входного сопротивления колеблется относительно уровня 50 Ом (см. рисунок 4), мнимая – относительно нулевого уровня (см. рисунок 5);

– на частоте 3,13 ГГц ДН ФМАИ подобна ДН симметричного диполя и имеет вид окружности в горизонтальной плоскости, в вертикальной плоскости – представляет собой две соприкасающиеся окружности;

– с ростом частоты происходит искажение ДН в виде отклонения от тороидальной формы ввиду того, что длина участков со встречным направлением токов увеличивается и интенсивность излучения в горизонтальной плоскости уменьшается.

Указанные характеристики были подтверждены результатами двух разных расчетов, после чего было изготовлено и протестировано 20 образцов ФМАИ.

Результаты экспериментальногоисследования ФМАИ

Экспериментальные исследования ФМАИ были проведены в безэховой камере (БЭК) Центра коллективного пользования Уральского Федерального университета (г. Екатеринбург). Поскольку все образцы ФМАИ демонстрируют практически идентичные характеристики, здесь представлены результаты измерений для образца №1 (ФМАИ-1) и даны комментарии по остальным 19 образцам.

На рисунке 6 представлены результаты измерений S11, на рисунке 7 – коэффициента передачи, на рисунке 8 – КСВН. Из рисунка 6 видно, что значения S11 составляют менее –10 дБ (что соответствует КСВН = 2) в диапазоне измерений 2…16 ГГц, что перекрывает расчетный диапазон 3,13…15 ГГц.

Chi lb Start 2GHZ                 P6 OdBrn                        Stop 16GHZ

Frequency, GHz

Рисунок 6. Потери на отражение S ₁₁ ФМАИ-1

График S ₁₁ на рисунке 6 демонстрирует несколько резонансов: четыре – «крупных» и большое количество «мелких», которые, перекрыва-ясь, образуют единый рабочий диапазон частот. Указанное расширение диапазона справедливо для всех образцов ФМАИ, за исключением ФМАИ-16, что объясняется внутренним дефектом, поскольку визуальный контроль не выявил отклонений от чертежа изделия.

OH lb Start 3GHz               Pb lOdBm                     stop 15GHz

Frequency, GHz

Рисунок 7. Модуль коэффициента передачи ФМАИ-1

Измерения модуля коэффициента передачи S ₂₁ были проведены в диапазоне 3…15 ГГц. Согласно данным рисунка 7 поведение данной характеристики стабильно до частоты 10 ГГц, а далее характеризуется спадом до уровня –48 дБ.

CM fb Start 2GHz                 Pb OdBm                       Stop 16GHz

Frequency, GHz

Рисунок 8. КСВН ФМАИ-1

По рисунку 8 видно, что КСВН < 2 в диапазоне 1,9…16 ГГц, что лучше расчетных значений: на нижней частоте КСВН = 2, далее колеблется вблизи 1,4 и не превышает 1,7 на частоте 10 ГГц, минимум составляет 1,1. Это свидетельствует о том, что ФМАИ-1 хорошо согласован в заданном рабочем диапазоне. Другие образцы ФМАИ по характеристикам аналогичны ФМАИ-1, хотя для некоторых из них максимум КСВН = 1,9 – что, тем не менее, также укладывается в требуемые нормы. На рисунке 9 представлены результаты измерений действительной и мнимой частей входного сопротивления антенны. Согласно графикам, действительная часть близка к значению 50 Ом, на которое и было рассчитано согласование ФМАИ, а мнимая часть близка к нулю. В обоих случаях наблюдаются лишь незначительные отклонения, что свидетельствует о хорошем согласовании.

Рисунок 9. Действительная и мнимая части входного сопротивления ФМАИ-1

Диаграмма направленности ФМАИ была измерена в двух плоскостях: горизонтальной и вертикальной (см. рисунки 10 и 11 соответственно) на частотах 3; 5; 7,5; 10 и 15 ГГц. По рисункам можно видеть, что в горизонтальной плоскости ДН имеет форму, близкую к окружности, что говорит о всенаправленном характере излучения.

Рисунок 10. ДН в горизонтальной плоскости

В вертикальной плоскости ДН на частотах 3 и 5 ГГц близка к кардиоиде, причем с ростом частоты происходит искажение ДН, которое тем сильнее, чем выше частота. Вышесказанное подтверждает результаты имитационного моделирования и свидетельствует о том, что ФМАИ является слабонаправленной антенной.

Рисунок 11. ДН в вертикальной плоскости

В целом можно сказать, что все представленные образцы ФМАИ характеризуются широким диапазоном рабочих частот; имеют центральную частоту 7,5 ГГц, где обеспечивается наилучшее согласование; ДН, близкую по форме к ДН полуволнового диполя. Все это является хорошим показателем для данного класса микрополосковых СШП-антенн.

Выявленные в процессе лабораторных измерений отличия заявленных характеристик ФМАИ от результатов моделирования объясняются следующими возможными причинами. При изготовлении образцов ФМАИ имеет место погрешность, связанная с невозможностью идеального воспроизведения спроектированного устройства ввиду ограничений, накладываемых технологией изготовления, а также внутренними дефектами материала, из которого изготовлены образцы ФМАИ. Другой причиной отклонений является погрешность при проведении измерений в БЭК. Тем не менее, резюмируя вышесказанное, можно утверждать, что результаты моделирования и измерений, проведенных в БЭК, между собой близки, что свидетельствует о корректности расчетов, а также о возможности успешного применения ФМАИ на практике.

Заключение

Представлено экспериментальное исследование ФМАИ, предназначенного для использования в составе экспериментального стенда «Радио по оптоволокну» в СШП-диапазоне частот. При изготовлении ФМАИ были использованы современные высокотехнологические материалы и элементная база промышленного назначения.

На образцах ФМАИ в БЭК были исследованы следующие характеристики: КСВН, потери на отражение, коэффициент передачи, входное сопротивление, ДН. В результате установлено соответствие теоретических и экспериментальных данных, подтвержден рабочий диапазон частот 3,13…15 ГГц, КСВН менее 2, действительная часть входного сопротивления близка к 50 Ом, мнимая – к нулю, антенна является всенаправленной. Проанализированы причины отклонений экспериментальных параметров ФМАИ от соответствующих им расчетных значений.

Помимо применения ФМАИ в составе стенда «Радио по оптоволокну» они также могут быть использованы в антенно-фидерных трактах мобильных устройств систем широкополосной связи с целью уменьшения их габаритов за счет передачи и приема сигналов различных стандартов на одно антенное устройство. Таким образом, свойства ФМАИ позволяют значительно расширить возможности современных и проектируемых систем связи. Исследование выполнено при поддержке стипендии Президента РФ молодым ученым и аспирантам (Конкурс СП-2018).