RESEARCH AND DEVELOPMENT OF ANTENNA COMPLEXES FOR MIMO WITH POLARIZATION DIVISION


Cite item

Full Text

Abstract

An increasing increase in the amount of transmitted information in wireless radio networks makes it necessary to search for and develop technologies that can improve spectral efficiency. One of these technologies is MIMO. MIMO technology is successfully used in cellular communication systems and Wi-Fi networks. An urgent task is also to increase the spectral efficiency in special-purpose networks. Based on the conducted research, the procedure for designing antenna complexes in MIMO systems was developed. An experimental study of the components of antenna complexes with polarizing diversity was performed. In particular, an antenna complex consisting of two orthogonal log-periodic antennas combined on one traverse was developed. It is shown that the measured characteristics are in good qualitative and quantitative agreement with the characteristics obtained using the developed electrodynamic model of the antenna complex with polarization diversity.

Full Text

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.
×

About the authors

A. N Bespalov

Povolzhskiy State University of Telecommunications and Informatics

Email: andreybespalov@mail.ru
Samara, Russian Federation

References

  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

Supplementary files

Supplementary Files
Action
1. JATS XML
Download

Copyright (c) 2021 Bespalov A.N.

Creative Commons License
This work is licensed under a Creative Commons Attribution-NonCommercial-NoDerivatives 4.0 International License.

This website uses cookies

You consent to our cookies if you continue to use our website.

About Cookies