APPLICATION OF RECEIVING CIRCULAR ANTENNA ARRAYS FOR THE FIELD HF-BAND RADIO SYSTEMS BASED ON MIMO TECHNOLOGY

Full Text

Введение Современные и перспективные требования к системам, сетям и радиолиниям диапазона декаметровых волн (ДКМВ) связаны прежде всего с необходимостью повышения надежности, устойчивости, помехозащищенности и оперативности связи, что обеспечивается использованием цифровых технологий в сочетании с эффективными помехозащищенными сигнально-кодовыми конструкциями, комплексной автоматизации оборудования, оперативной автоматизированной адаптации и т.д. [1]. В данный момент, как показывают результаты эксплуатации оборудования ДКМВ радиосвязи, при коэффициенте ошибок, равном 10-2, в ДКМВ канале (ширина полосы 3,1 кГц) среднего качества обеспечивается рабочая скорость не более 4800 бит/c [2]. Применение технологии множественной передачи и приема (Multi Input Multi Output, MIMO) является одним из перспективных путей повышения качества и пропускной способности (скорости передачи информации) радиоканалов диапазона ДКМВ [3-4]. Выбор типа антенного решения В ДКМВ диапазоне наблюдается относительно высокий уровень атмосферных и индустриальных помех. Кроме того, возникают взаимные помехи, из-за высокой плотности радиостанций, работающих в одном диапазоне. Применительно к системам связи специального назначения следует учитывать и возможность постановки преднамеренных помех. Вследствие высокого уровня помех (сосредоточенных и импульсных) в ДКМВ-диапазоне изначальное соотношение сигнал/шум будет относительно небольшим. В связи с этим, для обеспечения многоканальной передачи данных и увеличения соотношения сигнал/шум в приемном тракте, принимаются дополнительные меры. Одним из распространенных эффективных путей в этом отношении является использование направленных антенн, обеспечивающих повышенный коэффициент направленного действия (КНД) и возможность подавления сосредоточенной помехи за счет ориентации на нее минимума диаграммы направленности (ДН). В связи с этим, весьма перспективным представляется создание решений, реализующих технологию MIMO, на основе использования антенных систем с достаточно высоким КНД. Одним из эффективных способов формирования ДН с высоким КНД и оперативной ориентацией направления главного излучения в заданном азимутальном и угломестном направлении является использование кольцевых фазированных антенных решеток (КАР). При этом обеспечивается возможность формирования двумя КАР (по одной на приеме и передаче) двух и более парциальных каналов с разнесением по углу места направления главного излучения [5]. Использование в составе КАР триортогональных антенных элементов (ТАЭ), например, разработанных в ОАО «Концерн «Автоматика» ТАЭ УВИР.464634.001 [6], позволяет дополнительно формировать по три парциальных канала (с поляризационным разнесением) для каждого угломестного направления. Таким образом, может быть сформирована группа парциальных каналов с комбинированным разнесением. Для математического моделирования ТАЭ и систем на их основе использовалось тонкопроволочное приближение, что позволило проводить анализ с использованием разработанного ОАО «Концерн «Автоматика» программного комплекса SAMANT [7]. Данный программный комплекс основан на использовании интегрального уравнения Поклингтона в тонкопроволочном приближении: (1) где - криволинейная координата; - параметры среды; - частота излучения; - орт, касательный к L; - функция распределения стороннего тангенциального поля; - линейный ток; - функция Грина, которая в данном случае имеет вид: . (2) Здесь - функция, определяемая формулой: , (3) uде - радиус-вектор точки на поверхности проводника; - радиус-вектор точки на оси проводника; - орт нормали к криволинейному контуру, проходящему по осям всех проводников; - радиус проводника. При решении интегрального уравнения в тонкопроволочном приближенни использован один из проекционных методов - процесс Бубнова-Галеркина, который приводит к следующей системе линейных алгебраических уравнений (СЛАУ) относительно токовой функции J: , (4) где , которая решается в явном виде. По токовой функции далее вычисляются все необходимые антенные параметры. Синтез КАР Для уточнения параметров математической модели были использованы результаты экспериментальных исследований ТАЭ [8]. В частности, по результатам эксперимента были уточнены параметры опор и геометрические характеристики проволочной сетки, моделирующей подстилающую поверхность. Изменяя размеры и шаг сетки, удалось получить значения кроссполяризационных развязок близких к экспериментальным [8]. Рассмотрим результирующую электродинамическую модель ТАЭ (см. рис. 1). Рис. 1. Электродинамическая модель ТАЭ Высота подвеса ТАЭ составляет 4 м. Длины вибраторов равны 4 м (состоящие из двух плеч длиной по 2 м каждое). Из соображений механической прочности и учета влияния опоры на электродинамические характеристики ТАЭ, расстояние между опорой и вертикальным вибратором ТАЭ было выбрано равным 0,6 м [8]. Размер металлической конструкции (сетки) составляет 18×18 м с шагом 0,5 м. Рассмотрим электродинамическую модель антенной системы, состоящей из восьми ТАЭ, образующих кольцевую антенную решетку (см. рис. 2), которую можно использовать в качестве приемной в составе комплекса связи, использующего технологию MIMO с комбинированным типом разнесения подканалов. Рис. 2. Электродинамическая модель восьмиэлементной КАР Прием сигнала в данном случае ведется по всем трем поляризациям с двух различных угломестных направлений, что соответствует случаю MIMO 6×6. Следует отметить, что увеличение числа элементов в решетке будет автоматически вести к повышению КНД (но не кратности MIMO) и сопровождаться повышением отношения «сигнал/шум». Как следствие, это приведет к повышению пропускной способности системы. Данная КАР состоит из восьми триортогональных антенных элементов, фазовые центры которых расположены на окружности, радиус которой составляет 19,58 м. Исходя из того, что КАР была синтезирована на частоту 10 МГц, расстояние между фазовыми центрами ТАЭ было положено равным 14,99 м. Расстояния между опорами и ТАЭ были выбраны равными 0,6 м. Для упрощения поляризационного анализа, было принято решение использовать конфигурацию с параллельным расположением элементов, то есть все элементы КАР ориентированы в одном направлении. Как и в случае с одиночным ТАЭ, учет влияния подстилающей поверхности производился с помощью металлической сетки, размеры которой равны 50×50 м с шагом 1 м. Диаграммы направленности излучения (ДН) КАР в вертикальной (φ = 0°) и азимутальной плоскостях (θ = 70°) синтезированные на частотах 10, 15, 20 МГц по методу максимального КНД представлены на рис. 3. Данные ДН демонстрируют, что КАР является более узконаправленной по сравнению с одиночным ТАЭ. КНД восьмиэлементной КАР составил 10-12 дБ, что позволяет достичь более высокой пропускной способности системы MIMO на основе КАР. В рамках анализа пропускной способности системы MIMO будем рассматривать канал MIMO как многополюсник. Лучи в составе канала, вообще говоря, отличаются величиной задержки и видом поляризации благодаря эффектам вращения плоскости поляризации при отражении слоями ионосферы, суперпозиции различных, нормальных и аномальных отраженных волн, суперпозиции волн, пришедших по раз- различным трассам и т.п. В конечном итоге такой подход приводит к возникновению прямоугольной канальной матрицы размером 24×24 вида: , (5) в которой каждый элемент представляет собой комплексный коэффициент передачи в парциальном канале. После определения канальной матрицы становится возможной оценка пропускной способности канала MIMO, изложенная в [9]. Для данного случая ее можно представить в виде (6): (6) где - единичная матрица, - множитель, эквивалентный увеличению отношения «сигнал/шум», для учета превосходства КНД КАР над КНД одиночного элемента. Рис. 3. ДН восьмиэлементной КАР в вертикальной (φ = 0°) и азимутальной плоскостях (θ = 70°) на частотах 10; 15 и 20 МГц Кроме того, в (6) - мощность шума, - взаимный импеданс элементов КАР, - матрица весовых коэффициентов, соответствующая формированию ДН для трех видов поляризации в двух угломестных направлениях, - корреляционная матрица результирующего сигнала, - канальная матрица, символом обозначена операция эрмитова сопряжения. Взаимный импеданс и матрица весовых коэффициентов рассчитывались исходя из данных анализа электродинамической модели с помощью интегральных уравнений Фредгольма 1 рода. При этом канальная и корреляционная матрица выбираются в соответствии с опубликованными экспериментальными данными. В частности, при составлении канальной матрицы были использованы экспериментально полученные данные оценки канальной матрицы, опубликованные в [4]. Многоскачковое распространение радиоволн можно моделировать путем возведения каждого канального коэффициента в соответствующую степень. Корреляционная матрица составлена из случайных величин, имеющих модифицированное Гауссово распределение со средним значением 0,8 для элементов, стоящих на главной диагонали и 0,2 для недиагональных элементов, что соответствует данным, опубликованным в [9]. Модифицированное гауссово распределение получается из исходного распределения путем «отражения» значения коэффициента от границ единичного отрезка [0, 1]. В силу выбранных значений среднего и дисперсии существенных искажений в распределение это не вносит. Рис. 4. Пропускная способность системы MIMO в зависимости от частоты Рассмотрим зависимость пропускной способности синтезированной системы MIMO 6×6 от различных факторов. На рис. 4 приведена зависимость пропускной способности системы MIMO от частоты при высоком качестве канала. Увеличение пропускной способности с ростом частоты связано с повышением КНД, о чем свидетельствуют ДН, представленные на рис. 3. Рис. 5. Пропускная способность системы MIMO в зависимости от соотношения «сигнал/шум» для частот 10; 15 и 20 МГц На рис. 5 приведена зависимость пропускной способности системы MIMO в зависимости от соотношения «сигнал/шум» на частотах 10, 15 и 20 МГц. Как видно, пропускная способность каналов, обеспечиваемая кольцевой антенной решёткой в составе системы MIMO 6×6 с комбинированным типом разнесения, существенно превосходит возможности систем с поляризационным разнесением, описанных ранее [10]. Заключение Проведенный анализ пропускной способности системы MIMO, построенной с помощью синтезированной КАР показал, что рассмотренная система MIMO с комбинированным типом разнесения подканалов перспективна для применения в области ДКМВ при расстояниях между антенными элементами, превышающими 0,5λ и высоком соотношении «сигнал/шум».

About the authors

Aleksandr Vladimirovich Ogloblin

Military unit

Email: homealeks@mail.ru

References

Supplementary files