ИССЛЕДОВАНИЕ И РАЗРАБОТКА АНТЕННЫХ КОМПЛЕКСОВ ДЛЯ MIMO С ПОЛЯРИЗАЦИОННЫМ РАЗНЕСЕНИЕМ


Цитировать

Полный текст

Аннотация

Увеличение количества передаваемой информации в беспроводных сетях вызывает необходимость поиска и разработки технологий, позволяющих повышать спектральную эффективность. Одной из таких технологий является MIMO, которая успешно применяется в системах сотовой связи и сетях Wi-Fi. Актуальной задачей является повышение спектральной эффективности в сетях специального назначения. На основе проведенных исследований разработан порядок проектирования антенных комплексов в системах MIMO. Выполнено экспериментальное исследование составных частей антенных комплексов с поляризационным разнесением. В частности, был разработан антенный комплекс, состоящий из двух ортогональных логопериодических антенн, совмещенных на одной траверсе. Показано, что измеренные характеристики находятся в качественном и количественном согласии с характеристиками, полученными при помощи разработанной электродинамической модели антенного комплекса с поляризационным разнесением.

Полный текст

Введение На сегодняшний день радиочастотный диапа- зон разделен между государственными и частны- ми организациями, однако объем передаваемой информации с каждым годом растет. Возникает необходимость в более эффективном использо- вании имеющихся диапазонов частот. Одним из актуальных решений для повышения спектраль- ной эффективности является использование тех- нологии MIMO (Multiple Input Multiple Output) с поляризационным или пространственным раз- несением, основанной на одновременной переда- че сигналов в одной полосе частот по слабокор- релированным каналам [1-4]. Технология MIMO активно применяется в се- тях общего пользования, сетях сотовой подвиж- ной связи, технологиях Wi-Fi, WiMax. В то же время планируется использование MIMO в про- фессиональных системах связи, в том числе в се- тях связи специального назначения. Рисунок 1. Порядок проектирования АК для MIMO Рисунок 2. Модель антенного комплекса MIMO с поляризационным разнесением В системах связи с MIMO используются многоэлементные антенные решетки, в результате чего обеспечивается расширение зоны покрытия ра- диосигналами и сглаживание в ней мертвых зон. Многолучевое распространение сигнала в сетях с MIMO уменьшает влияние замираний и переот- ражений в условиях плотной городской застрой- ки или сложного рельефа местности. За счет использования различных видов раз- несения каналов достигается повышение спек- тральной эффективности, тем самым техноло- гия MIMO позволяет либо увеличить скорость передачи информации при фиксированной по- мехозащищенности, либо улучшить помехозащи- щенность при сохранении заданной пропускной способности [5-7]. Порядок проектирования антенных комплексов в системах MIMO При разработке антенных комплексов (АК) для систем с MIMO необходимо учитывать мно- жество технических требований к антенным системам с учетом особенностей технологии MIMO. На основе анализа характеристик антенных элементов был разработан порядок проектиро- вания антенных комплексов в системах MIMO, включающий три основных этапа (см. рисунок 1). На первом этапе производится анализ условий размещения и конфигурации проектируемого антенного комплекса системы MIMO. Второй этап включает в себя анализ выполне- ния технических требований антенного комплек- са и оценку качества связи. Одним из вариантов повышения спектральной эффективности в си- стемах MIMO является использование АК с по- ляризационным разнесением. Оценка спектраль- ной эффективности канала системы MIMO 2×2 производится согласно [8-10]. На третьем этапе производится корректиров- ка модели по месту установки путем проведения экспериментальных исследований характеристик синтезируемого антенного комплекса. Антенные комплексы MIMO c поляризационным разнесением Как правило, антенны размещаются на спе- циально выделенных антенных площадках на башнях теле- и радиовещания, на крышах домов либо на специально выделенном этаже высот- ного здания. Такие площадки являются весьма ограниченными по площади, и вопросы рацио- нального размещения антенн и соответствующе- го оборудования являются очень важными. В связи с этим было проведено исследова- ние характеристик широкополосного антенно- го комплекса с поляризационным разнесением, который представляет собой два ортогональных логопериодических излучателя, совмещенных на одной траверсе (см. рисунок 2). Антенный комплекс имеет достаточно хоро- ший уровень согласования, коэффициент стоя- чей волны по напряжению (КСВН) в диапазоне 200-550 МГц не превышает требуемых значений (см. рисунок 3), что позволяет использовать его в нескольких системах радиосвязи. Частотные зависимости спектральной эффек- тивности системы MIMO при использовании ан- тенных комплексов как с поляризационным, так и с пространственным разнесением приведены на рисунке 4. Из приведенного графика видно, что такие антенные комплексы с поляризационным раз- несением за счёт достаточно большой развязки между излучателями позволяют повысить спек- тральную эффективность систем MIMO. Рисунок 3. КСВН антенного комплекса MIMO с поляризационным разнесением Рисунок 4. Спектральная эффективность MIMO Рисунок 5. Чертеж общего вида совмещенной двухвходовой логопериодической антенны Рисунок 6. КСВН уединенной логопериодической антенны Экспериментальное исследование совмещенных антенных комплексов с поляризационным разнесением В целях верификации характеристик АК, по- лученных с помощью разработанной электро- динамической модели, было проведено экспери- ментальное исследование, в ходе которого был разработан антенный комплекс, состоящий из двух ортогональных логопериодических антенн, совмещенных на одной траверсе (см. рисунок 5). Измерения проводились с использованием из- мерителя комплексных коэффициентов передачи и отражения (векторного анализатора цепей) ОБ- ЗОР-304/1. На рисунке 6 представлены резуль- таты измерений сконструированной уединенной Рисунок 7. Развязка между входами системы совмещенных логопериодических антенн логопериодической антенны. Видно, что расчет- ные данные достаточно точно совпадают с изме- ренными. Разработанный антенный комплекс яв- ляется широкополосным и имеет высокий уровень согласования в диапазоне частот 200-600 МГц. Достаточный уровень развязки (см. рису- нок 7) позволяет сделать вывод о том, что данные антенные системы могут быть использованы при проектировании антенных комплексов повышен- ной эффективности, которые могут найти приме- нение в системах MIMO. Кроме того, измеренные значения развязки и КСВН находятся в хорошем качественном и ко- личественном согласии с характеристиками, по- лученными с помощью разработанной электро- динамической модели антенного комплекса с поляризационным разнесением. Заключение В работе приведены результаты исследований различных АК для систем MIMO. Приведен по- рядок проектирования таких АК и представлены характеристики АК с поляризационным разнесе- нием. Показано, что АК с поляризационным раз- несением за счет достаточно большой развязки между излучателями, позволяет повысить спек- тральную эффективность систем MIMO. Выполнено экспериментальное исследование составных частей АК с поляризационным разне- сением. В частности, был разработан АК, состо- ящий из двух ортогональных логопериодических антенн, совмещенных на одной траверсе. Пока- зано, что измеренные характеристики находятся в хорошем качественном и количественном со- гласии с характеристиками, полученными с по- мощью разработанной электродинамической мо- дели АК с поляризационным разнесением.
×

Об авторах

А. Н Беспалов

Поволжский государственный университет телекоммуникаций и информатики

Email: andreybespalov@mail.ru
Самара, РФ

Список литературы

  1. Gershman A.B., Sidiropoulos N.D. Space-Time Processing for MIMO Communication. New York: John Wiley & Sons, 2006. 369 p
  2. Shaoshi Yang, Lajos Hanzo. Fifty years of MIMO detection: The road to large-scale MIMOs // IEEE Communications Surveys & Tutorials. 2015. Vol. 17, No. 4. P. 1941-1988
  3. Карташевский В.Г., Бельский К.А., Слипенчук К.С. Прием сигналов OFDM в каналах с рассеянием // Радиотехника. 2015. № 2. С. 62-68
  4. Mehana A.H., Nosratinia A. Performance of linear receivers in frequency-selective MIMO channels // IEEE Transactions on Wireless Communications. 2013. No. 12 (6). P. 2697-2705
  5. Volker Kuhn. Wireless Communications over MIMO Channels: Applications to CDMA and Multiple Antenna Systems. New York: John Wiley & Sons, 2006. 388 р
  6. Волков Л.Н., Немировский М.С., Шинаков Ю.С. Системы цифровой радиосвязи. М.: Эко-Трендз, 2005. 392 с
  7. Карташевский В.Г. Обработка пространственно-временных сигналов в каналах с памятью. М.: Радио и связь, 2000. 272 с
  8. Паршин Ю.Н., Комиссаров А.В. Пропускная способность MIMO телекоммуникационной системы в условиях изменяющейся пространственной структуры радиотракта с искусственной многолучевостью // Цифровая обработка сигналов. 2012. № 1. С. 50-55
  9. Микрополосковые антенны на основе биизотропных и бианизотропных киральных метаматериалов в системах MIMO / А.Н. Беспалов [и др.] // Радиотехника. 2019. № 3. С. 5-11
  10. Microstrip and fractal antennas based on chiral metamaterials in MIMO systems / D.S. Klyuev [et al.] // 12th Chaotic Modeling and Simulation International Conference, Springer Proceedings in Complexity. 2020. P. 295-306

Дополнительные файлы

Доп. файлы
Действие
1. JATS XML
Скачать

© Беспалов А.Н., 2021

Creative Commons License
Эта статья доступна по лицензии Creative Commons Attribution-NonCommercial-NoDerivatives 4.0 International License.