Широкополосная антенная решетка для абонентской станции «WiMic-6000»

Одной из основных тенденций развития современных инфокоммуникационных технологий является микроминиатюризация радиоэлектронной аппаратуры (РЭА). Известно, что качественные характеристики РЭА в значительной степени определяются свойствами и конструктивно-электрическими параметрами ее антенно-фидерного устройства (АФУ). Применение интегральной технологии позволяет с успехом решать задачи по созданию АФУ c высокими характеристиками. Так, микрополосковые антенны (МПА), изготовляемые по интегральной технологии, обеспечивают высокую повторяемость размеров, низкую стоимость, малые металлоемкость, габаритные размеры, массу [1]. Известно большое число типов элементарных излучателей (ЭИ) полосковой конструкции и антенных структур на основе объединения однотипных и разнотипных ЭИ в единой антенной системе [2]. Переход к усложненным геометрическим формам ЭИ позволяет решить задачи согласования активной и компенсации реактивной компонент входного сопротивления ЭИ, обеспечения необходимой поляризации излучения, расширения полосы пропускания и увеличения коэффициента усиления антенной решетки [3].

Малая диапазонность является общим недостатком МПА из-за того, что входное сопротивление обладает резко неравномерной частотной характеристикой; ширина рабочей полосы МПА не превышает, как правило, нескольких процентов [2]. В качестве примера на рис. 1 представлена антенная решетка одного из отечественных производителей. Она состоит из 16 элементов и представляет собой однослойную печатную плату над проводящим экраном-рефлектором.

По данным производителя, антенна работает в диапазоне 6…6,5 ГГц, соответственно, ширина рабочей полосы пропускания равна 8%, коэффициент усиления равен 17 дБи. Сегодня на отечественном рынке представлены антенные решетки с шириной полосы пропускания, как правило, не превышающей 10%, что не удовлетворяет потребностям современного оборудования широкополосного беспроводного доступа, у которого ширина полосы превышает 20%. Между тем такое оборудование серийно выпускается отечественными производителями, так что разработка соответствующих ему антенн актуальна.

Рис. 1. МПА на основе дисковых излучателей

В статье представлены результаты разработки антенной решетки для абонентской станции «WiMic-6000» (см. рис. 2), использующей стандарт широкополосного беспроводного доступа IEEE 802.16. Рассмотрим выбор подложки. Основные требования, которые предъявляются к диэлектрической подложке: высокая стабильность диэлектрической проницаемости и малый тангенс угла диэлектрических потерь. Такими свойствами обладают органические диэлектрики фирмы ROGERS. По совокупности свойств и параметров выбран материал RO4003 толщиной 0,508 мм и двухсторонней металлизацией толщиной 17 мкм.

Рис. 2. Внешний вид базовой (а) и абонентской (б) станций «WiMic-6000»

В качестве основного излучающего элемента антенной решетки выбран кольцевой ЭИ, имеющий ряд преимуществ: широкая полоса рабочих частот; резонансная частота основного типа коле- баний ниже, чем у дискового ЭИ тех же размеров. Объяснением последнего факта может служить то обстоятельство, что средний путь тока в кольцевой антенне больше, чем в дисковой.

Рис. 3. Модель кольцевого излучателя

Рис. 4. Частотная зависимость модуля коэффициента отражения кольцевого излучателя

Излучатель (рис. 3) представляет собой печатную плату с двусторонней топологией, размещенную над проводящим экраном-рефлектором на расстоянии (0,15–0,25)λ. На каждом из слоев платы расположено полукольцо. Длина каждого полукольца равна половине длине волны, соответствующей центральной частоте рабочего диапазона.

На рис. 4 показана характеристика модуля коэффициента отражения элемента решетки, из которого видно, что рабочая полоса составляет 1,8 ГГц по уровню –15 дБ. Работа абонентской станции ведется в диапазонах частот: 5,1–5,9 ГГц и 5,7–6,5 ГГц. Для реализации схемы питания могут использоваться различные варианты, но наиболее удобной в данном случае является дифференциальная схема на основе связанных подвешенной и обращенной полосковых линий [4], состоящая из бинарных делителей мощности. Излучатели располагаются зеркально в узлах

квадратной решетки (рис. 5), расстояние между излучателями равняется 0,5λ, что обеспечивает требуемые характеристики по усилению и уровню боковых лепестков.

Результаты моделирования (рис. 6, 7) показывают, что антенная решетка работает в диапазоне частот 5,1–6,5 ГГц по уровню –12 дБ, а коэффициент усиления антенны равен 19 дБи. Это соответствует техническому заданию, по которому модуль коэффициента отражения в рабочей полосе частот не должен превышать уровня в –12 дБ, а усиление должно быть не ниже 18 дБи. Данная АФУ позволяет перекрыть сразу два частотных диапазона, в которых работает абонентская стан- ция 5,1–5,9 ГГц и 5,7–6,5 ГГц, что исключает затраты на разработку дополнительного устройства.

По результатам моделирования спроектирована антенная решетка, перекрывающая два частотных диапазона. В составе абонентской станции «WiMic-6000» она будет проходить полевые испытания, по результатам которых решится вопрос о ее запуске в серию. Предполагается выполнить оптимизацию параметров антенной решетки для уменьшения ее себестоимости, улучшения основных характеристик, а также уменьшения их чувствительности к разбросу параметров, в частности, за счет использования

Рис. 5. Модель антенной решетки на основе кольцевых излучателей

Рис. 6. Частотная зависимость модуля коэффициента отражения антенной решетки

Рис. 7. Диаграмма направленности антенной решетки в плоскости Theta для в Е (а) и Н (б) плоскостей излучения

особых свойств подвешенной и обращенной полосковых линий [4].

Работа выполнена в порядке реализации постановления №218 Правительства РФ от 09.04.2010 г. по договорам 13.G25.31.0011 и 13.G25.31.0017 от 07.09.2010.