В перспективе разработка позволит с высокой скоростью передавать большой объём данных в заданные направления в пространстве за счет электронного сканирования.
18.04.2025
Непрерывное увеличение объемов передачи данных через мобильные системы создает необходимость в совершенствовании телекоммуникационных технологий на глобальном уровне. Этот процесс требует разработки новых, более эффективных стандартов связи, которые соответствуют определенным частотным диапазонам радиоволн. В настоящее время самым актуальным из таких стандартов является пятое поколение мобильной связи.
В современных задачах разработки систем связи особое внимание уделяется технологиям 5G, которые требуют создания высоконаправленных управляемых антенн для базовых станций. Как правило, стандарт связи 5G включает в себя два частотных диапазона: FR1 (0,6-6 ГГц) и FR2 (24-52 ГГц). С увеличением рабочих частот возникают проблемы экономической эффективности, поскольку на рынке может отсутствовать необходимая электронная компонентная база, а существующие компоненты могут быть дорогостоящими. В некоторых диапазонах частот, особенно в FR2, реализация полностью цифровых антенных решеток оказывается затруднительной.
В связи с этим для систем связи пятого поколения наблюдается рост популярности антенных решеток, диаграммообразование (формирование диаграммы направленности системы) в которых выполняется частично аналоговым и частично цифровым способом. Для эффективной реализации антенных систем в диапазоне FR2 необходим подобный гибридный подход, объединяющий преимущества аналоговых и цифровых технологий для оптимизации производительности и снижения затрат.
«Для решения этой проблемы мы разработали макет управляемой антенны на основе гибридной архитектуры в диапазоне 28 ГГц. Как правило, в подобной диаграммообразующей схеме фазовое сканирование осуществляется за счет изменения состояния аналоговых фазовращателей, что позволяет значительно снизить количество цифровых приемопередатчиков в составе системы связи. Такой подход существенно снижает себестоимость антенной системы, упрощает проектирование и позволяет обеспечить достаточную для большинства задач точность формирования диаграммы направленности. Ко всему прочему, диапазон 28 ГГц является перспективным для развертывания сетей связи стандарта 5G FR2 в Российской Федерации. В перспективе разработку можно будет использовать в телекоммуникационном оборудовании для систем связи данного диапазона».
В рамках проекта была поставлена задача разработать макет антенной системы, состоящий из облучателя и фокусирующей линзы. Подобное решение объединяет преимущества отражательной фазированной антенной решетки (ОФАР) и линзовой антенны. Это позволяет обеспечить высокую направленность антенной системы и электронное сканирование пространства.
Так, исследователи создали макет управляемой антенны для того, чтобы оценить преимущества использования линзовой антенны с облучателем в виде ОФАР. Основная идея данного этапа заключалась в достижении высокого коэффициента усиления антенной системы и обеспечении возможности электронного сканирования пространства с помощью использования перестраиваемой ОФАР. В рамках работы на основе программируемой логической интегральной схемы была разработана система управления лучом (СУЛ), позволяющая изменять электрические характеристики облучателя.
После этого ученые провели электродинамическое моделирование линзы с облучателем в виде ОФАР и измерили направленные характеристики антенной системы в Центре коллективного пользования «Безэховая камера» СПбГЭТУ «ЛЭТИ». В результате было установлено, что диапазон углов сканирования антенны составляет ±30 градусов в двух плоскостях. Таким образом, антенна позволяет излучать сигнал в заданном направлении.
ОФАР состоит из 100 антенных элементов, к которым подводится напряжение с цифро-аналоговых преобразователей. Для задания распределения напряжений, необходимых для отклонения луча на заданный угол, используются четыре платы цифро-аналоговых преобразователей, которые входят в состав системы управления лучом. Основная задача системы заключается в установке требуемого напряжения на каждой из ячеек ОФАР на основе данных, формируемых в программном обеспечении. В нем также предусмотрен режим генерации тестовых данных для контроля установки напряжения, что является важным аспектом работы системы.
«Преимуществом данной антенной системы является наличие системы управления. В качестве формирователей управляющих напряжений, прикладываемых к антенному элементу облучателя, использовались 12-битные цифро-аналоговые преобразователи. Это позволило плавно управлять электрическими параметрами антенного элемента, что в свою очередь дает возможность влиять на ослабление СВЧ мощности, отраженной ОФАР. Подобный подход открывает большие возможности для оптимизации диаграммы направленности облучателя по заданным параметрам».
На текущем этапе коллектив ученых кафедры МИТ в лице доцента Павла Анатольевича Туральчука, ассистента Виталия Витальевича Кириллова, инженера Виктора Александровича Яковлева, аспиранта Игоря Владимировича Григорьева, а также техника Баязета Акылбековича Искакова работают над главными задачами дальнейшей работы – миниатюризацией СУЛ, а также над повышением эффективности работы антенной системы. Достижение компактности системы управления позволит улучшить направленные характеристики антенны за счет минимизации паразитного переизлучения от СУЛ.
Работа по разработке линзовой антенны с электронным управлением в диапазоне 28 ГГц выполнялась в рамках научного проекта, выполняемого из собственных средств СПбГЭТУ «ЛЭТИ» в рамках мер по реализации инновационной деятельности в 2024 году (номинация «Молодежный проект»). В рамках выполнения работы в 2024 году был зарегистрирован результат интеллектуальной деятельности на программу для ЭВМ: «Программа для расчета амплитудно-фазового распределения по апертуре управляемой отражательной антенной решетки с голографическим формированием диаграммы направленности» (№ 2024690424).
Исследование проводится в русле научно-исследовательской политики программы развития СПбГЭТУ «ЛЭТИ» «Приоритет 2030».
