Разработка 8-канальной антенной MIMO системы с двойной поляризацией для связи 5G

Быстрое развитие технологий беспроводной связи пятого поколения (5G) привело к увеличению спроса на высокоэффективные антенны, поддерживающие технологию многовходовых многовыходовых систем (MIMO). MIMO технологии играют ключевую роль в сетях 5G, позволяя увеличить пропускную способность данных и надежность связи за счет использования пространственного разнообразия и создания нескольких независимых путей сигнала. Эти улучшения особенно важны для городских районов с высокой плотностью устройств и растущими требованиями к скорости передачи данных.

В последние годы значительное внимание уделяется проектированию и оптимизации MIMO антенных систем, особенно для мобильных и других компактных устройств. Эти системы должны обеспечивать работу в широком диапазоне частот, при этом поддерживая низкий уровень взаимного влияния между элементами и стабильные характеристики

«Московский физико-технический институт (пациопальпый исследовательский университет)», 2025

излучения [1]. Кроме того, MIMO антенные системы играют ключевую роль в повышении пропускной способности и надежности связи, особенно в условиях высокой плотности устройств, где число антенных элементов и их пространственная конфигурация являются критически важными факторами [2]. Значительные успехи были достигнуты в разработке MIMO антенн, которые соответствуют требованиям сетей 5G и перспективных систем связи. Как показывают исследования, MIMO антенные системы позволяют улучшить как пропускную способность, так и надежность передачи данных в современных сетях 5G [3].

Несмотря на достигнутые успехи, разработка компактных, эффективных и экономически оправданных MIMO антенн, соответствующих требованиям сетей 5G, по-прежнему остается сложной задачей. Для решения этих задач в данной работе представлена новая конфигурация MIMO антенной системы, включающая многослойный патч в качестве единичного излучающего элемента, линейную решетку (1 х 8) и расширенную MIMO решетку (4 х 8). Последняя конфигурация выступает в роли промежуточного этапа на пути к реализации полноценной системы MIMO размерностью 64 х 64.

2.    Конструкция и материалы

Основа 4 х 8 MIMO антенной системы — это многослойная патч-антенна, разработанная для работы в диапазоне п79 (4,8-5 ГГц). Излучающий элемент состоит из круглого медного патча, расположенного на диэлектрической подложке из материала WL-CT338. Данный материал обладает диэлектрической проницаемостью (Dk) 3,55 и коэффициентом потерь (Df) 0,0029 на частоте 5 ГГц. Элемент питается через две точки для создания двойной поляризации и повышении гибкости применения антенны в задачах формирования луча. Многослойная структура элемента, включающая патч, директор, диэлектрические слои и экранирующий слой, представлена на рис. 16. Ключевые параметры конструкции, такие как диаметр патча 19,06 мм и диаметр директора 27,19 мм, расположенного над патчем (рис. 1а), были оптимизированы для минимизации коэффициента стоячей волны и обеспечения стабильной работы в диапазоне п79. Директор выполняет функцию фокусирующего элемента, улучшая направленность антенны и снижая уровни боковых лепестков, что способствует увеличению усиления в направлении главного лепестка.

Рис. 1. Многослойная структура единичного излучающего элемента: а) вид сверху на патч и директор; б) боковой вид, показывающий многослойную структуру

3.    Результаты моделирования

Диаграмма направленности единичного излучающего элемента показана на рис. 2 для двух ортогональных плоскостей р = 0° и р = 90° на частоте 4,9 ГГц. В обеих плоскостях р = 0° и р = 90° усиление главного лепестка составляет 8,76 дБ, при этом ширина луча составляет 73,2° и 63,9° соответственно.

Для увеличения усиления на один канал антенной системы реализована линейная решетка, состоящая из 8 излучающих элементов (конфигурация 1 х 8). Каждый элемент пи- тается через Т-образный делитель мощности, который на выходе имеет два SMA-разъема (рис. 36).

Рис. 2. Диаграмма направленности на частоте 4,9 ГГц в двух плоскостях

Рис. 3. Конфигурация и характеристики 8-канальной MIMO антенной решетки: а) ЗИ-модель, б) передающая линия и Т-образный делитель 1:8 с SMA-разъемами, в) диаграмма направленности линейки 1 х 8, г) диаграмма направленности массива 4 х 8 с демонстрацией сканирования луча

Данный делитель обеспечивает синфазное возбуждение всех элементов массива, что приводит к конструктивной интерференции и повышению усиления. Решетка спроектирована с поддержкой двойной поляризации, при этом для каждой поляризации используется отдельный делитель мощности. Следующим этапом является реализация MIMO массива 4 х 8, представленного на рис. За. Этот массив состоит из четырех независимых линейных линеек, каждая из которых содержит по 8 излучающих элементов. Конфигурация 4 х 8 поддерживает продвинутые возможности формирования луча, позволяя регулировать фазы сигналов, подаваемых на каждую линейку. Это обеспечивает точное управление диаграммой направленности и направленной передачей сигнала.

На рис. Зв показаны диаграммы направленности для линейного массива (1 х 8), демонстрирующие усиление главного лепестка 15,7 дБи в плоскости ? = 0°, ширину луча 9,7° и уровень боковых лепестков -12,9 дБ. В плоскости ? = 90° ширина луча увеличивается до 70,5°. Для массива 4 х 8, представленного на рис. Зг, результаты моделирования показали усиление главного лепестка 21,1 дБи в плоскости 9? = 0° при ширине луча на уровне половинной мощности 9,8°. Уровни боковых лепестков составили -13,2 дБ, что указывает на эффективное подавление боковых лепестков. В плоскости 9 = 90° усиление сохраняется на уровне 21,1 дБи при ширине луча 19,3°. При угле наклона 21° усиление главного лепестка составляет 20,8 дБи, а уровень боковых лепестков достигает -11,2 дБ. На рисунке 4а представлены S-параметры для центрального антенного элемента в решетке 3 х 3, характеризующие взаимное влияние между элементами. В моделировании использовались независимые точки запитки для каждого элемента. Параметр S5,5 обозначает коэффициент отражения центрального элемента, S14,5 представляет передачу между ортогональными точками запитки, a S4,5 показывает наибольшее взаимное влияние с соседним элементом.

Рис. 4. S-параметры и диаграммы направленности MIMO антенной системы: а) S-параметры центрального элемента в решетке 3 х 3, б) S-параметры Т-образного делителя мощности 1:8

На рисунке 46 показаны S-параметры для линейного массива, включая коэффициент отражения S11 для Т-образного делителя мощности в конфигурации 1 х 8, а также коэффициент связи S12 между двумя выходами, которые питают каждый элемент. Такая конфигурация позволяет реализовать двойную ортогональную поляризацию за счет подключения каждого элемента через два выхода, обеспечивая независимое синфазное питание для обеих поляризаций. Исследовано влияние расстояния между элементами в диапазоне 40-54 мм на характеристики антенной системы. Для анализа было выполнено моделирование различных конфигураций с изменяющимися расстояниями между излучающими элементами. Полученные S-параметры и диаграммы направленности позволили оценить, как межэлементное расстояние влияет на общие характеристики системы. Для обеспечения объективности сравнения были выбраны конфигурации с апертурными размерами, различающимися менее чем на два процента. Эти конфигурации включали массивы с различным количеством элементов и расстоянием между ними, такие как 6 х 9, 5 х 9, 5 х 8, 4 х 9и4 х 8. Минимальные различия в размерах апертуры гарантируют, что оценка усиления и уровней боковых лепестков остается точной и объективной для всех конфигураций. Как показано на рис. 5, усиление слегка увеличивается с увеличением расстояния между элементами, достигая пика в 24,6 дБи при расстоянии 51 мм.

Рис. 5. Зависимость усиления и уровня боковых лепестков от расстояния между элементами

Уровни боковых лепестков, однако, остаются стабильными около -13,0 дБ для всех конфигураций, что свидетельствует о эффективном подавлении нежелательного излучения. Эти результаты показывают, что увеличение расстояния между элементами может улучшить усиление без значительного влияния на уровни боковых лепестков.

График на рис. 6 демонстрирует изменение ширины луча в зависимости от расстояния между элементами в двух плоскостях: <р = 0° и ф = 90°.

Рис. 6. Зависимость ширины луча от расстояния между элементами

Синяя линия представляет ширину луча в плоскости <р = 0° , показывая постепенное увеличение ширины луча с ростом расстояния между элементами. Максимальное значение ширины луча достигается при 15,2° для расстояния 51 мм, после чего она слегка уменьшается до 14,4° при 54 мм. Оранжевая линия отображает ширину луча в плоскости <р = 90°, которая остается уже, чем в <р = 0°. Минимальная ширина луча составляет 6,7° при 51 мм, затем она слегка увеличивается до 7,2° при 54 мм. Эти результаты показывают влияние расстояния между элементами на ширину луча в различных плоскостях.

4.    Заключение

В данной статье представлены разработка и моделирование излучающих элементов для MIMO антенных систем, в частности единичного элемента, линейного массива (1 х 8) и более крупного массива (4 х 8), оптимизированные для работы в 5G сетях в диапазоне частот п79 (4,8-5 ГГц). Исследовано, как расстояние между элементами влияет на усиление и уровни боковых лепестков MIMO антенной системы. Была проведена серия симуляций для анализа конфигураций с различными расстояниями между излучающими элементами. Эти симуляции предоставили данные о S-параметрах и диаграммах направленности для каждой конфигурации. Более крупная MIMO решетка (4 х 8) обеспечивает возможность сканирования луча за счет динамической настройки фазовых сдвигов между линейками.

Результаты моделирования показывают, что данная конфигурация достигает высокого усиления в 21,1 дБи, сохраняя стабильную производительность при различных углах сканирования. Следующим этапом будет изготовление антенной решетки 4 х 3 с независимым питанием каждого элемента для изучения взаимного влияния между элементами. Также будут произведены четыре линейных массива 1 х 8 для экспериментальной проверки излучающих элементов и сопоставления измеренных данных с результатами моделирования. В дальнейшей работе планируется увеличить количество независимых каналов, продвигаясь к достижению основной цели — создания MIMO системы 64 х 64. Увеличение числа элементов и каналов позволит формировать более узкие лучи и реализовать многолучевое распространение сигнала, что улучшит производительность решетки для передовых приложений в сетях пятого поколения.

Работа выполнена при поддержке программы стратегического академического лидерства «Приоритет-2030».