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, 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», – рассказал младший научный сотрудник кафедры микрорадиоэлектроники и технологии радиоаппаратуры (МИТ), аспирант кафедры МИТ СПбГЭТУ «ЛЭТИ» Игорь Владимирович Григорьев.
Разрабатываемый учеными ЛЭТИ макет антенной системы состоял из трех ключевых элементов: облучателя, фокусирующей линзы и перестраиваемой отражательной фазированной антенной решетки (ОФАР), состоящей из 100 антенных элементов, к которым подводится напряжение с цифро-аналоговых преобразователей. Предложенная концепция позволила обеспечить высокую направленность антенной системы и электронное сканирование пространства. Кроме того, для точного управления лучом направленности электромагнитных волн антенна снабжена контроллером и соответствующим программным обеспечением, позволяющим изменять электрические характеристики облучателя.
Управляемая антенна успешно прошла испытания в Центре коллективного пользования «Безэховая камера» СПбГЭТУ «ЛЭТИ», где исследователи продемонстрировали способность излучать сигнал стандарта 5G в заданном направлении.
«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», – прокомментировал техник МИТ, студент 4 курса факультета радиотехники и телекоммуникаций СПбГЭТУ «ЛЭТИ» Баязет Акылбекович Искаков.
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 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).
Источник информации и фото: СПбГЭТУ «ЛЭТИ»
