Антенны с ФАР

Наша компания представляет уникальную технологию создания высокочувствительных антенн на базе массивов управляемых пассивных рассеивателей (фазированной антенной решетки).

Мы готовы предложить Вам совершенно новую технологию, которая может применяться к различным типам антенн на очень широком частотном диапазоне от сотен мегагерц до 10 ГГц.

 

Наша технология совершенно новая и не имеет аналогов.

 

Предлагаем рассмотреть нашу технологию для создания промышленного образца и производства высокочувствительных антенн с фазированной антенной решеткой на основе массива управляемых пассивных рассеивателей для Вас. Условия сотрудничества могут быть любые: как партнерские, так и на условиях аутсорсинга, рассматриваются все виды сотрудничества. Для презентации и более детального обсуждения нашей разработки мы готовы приехать к Вам или прислать более подробную информацию.

Антенны, созданные в наших лабораториях, обладают следующем рядом преимуществ:

• Низкая себестоимость - до 500$ в максимальном исполнении;
• Установление связи требуемого качества даже в тех случаях, когда взаимное положение источника и приемника излучения изменяется с течением времени;
• Автоматическое формирование распределенных беспроводных сетей со множеством узлов;
• Корректировка потерь связи, возникающих при отклонении антенных мачт, возникающих под воздействием ветра и других  факторов;
• Минимизация влияния источников помех на качество связи;
• Минимизация отрицательного влияния на качество связи отражений сигнала от окружающих объектов;
• Определение направления на движущийся источник сигнала.

Также наша компания владеет рядом уникальных наработок в области высокочувствительных антенных систем на управляемых пассивных рассеивателях (УПР) (часть из которых защищена патентами), позволяющих проводить эффективную разработку подобных систем.

К этим решениям относятся:

• Способы расчета и оптимизации многоэлементных антенных решеток на УПР, базирующиеся на параметрических моделях;
• Архитектура систем управления антенными решетками на УПР (фазированных антенных решетках);
• Алгоритмы управления антенными решетками на УПР;
• Системы связи, использующие антенны с УПР.

Хотелось бы отметить, несмотря на все указанные преимущества, антенны с управляемыми диаграммами направленности до настоящего времени не нашли широкого применения в беспроводных системах связи, доступных на массовом рынке телекоммуникационного оборудования (в сетях WiFi, WiMax, 3G, DTV и т.п.). Единичные попытки создания таких коммерческих антенных систем [Vivato], в основном, касаются использования антенн с управляемыми диаграммами на стороне базовых станций, случаи использования подобных антенн на стороне клиентов сетей практически неизвестны.

Главной причиной данной ситуации является значительная стоимость подобных устройств, связанная с высокой ценой СВЧ элементов (фазовращателей, волноводов и т.д.), на которых построено большинство современных антенных систем с управляемыми диаграммами направленности - фазированных антенных решеток (ФАР).

Наша себестоимость антенны в максимальном решении может составлять, как отмечено выше не более 500$ для базовых станций и для клиентских станций не выше 100$.

Ниже мы приводим примерный вид высокочувствительной антенны на 2,4 ГГц, которую мы изготовили в лаборатории и которая успешно справилась со своими задачами. 

Рис. 1

На рис. 1 показана концептуальная схема антенны. Антенна состоит из зеркала (a), образованного трехмерным массивом управляемых рассеивателей, и приемопередающего элемента (облучателя) (b).

Также эта технология может быть применена для антенн с круговым сканированием для применения их в помещениях ограниченного пространства.

 

Скачать презентацию в pdf. 

Детальное описание технологии

1. Современное состояние потребительского рынка высокочувствительных антенн на основе фазированной антенной решетки

2. Описание создаваемого устройства

3. Применение разработанных антенн

4. Возможные варианты применения

 

1. Современное состояние потребительского рынка высокочувствительных антенн на основе фазированной антенной решетки

Применение направленных антенн, направлением излучения и приема которых можно управлять электрически, представляется весьма перспективным для использования в современных беспроводных системах связи, поскольку такие антенные системы увеличивают  дальность связи (по сравнению со случаем использования  ненаправленных антенн)  и дают возможность:

• устанавливать связь требуемого качества даже в тех случаях, когда взаимное положение источника и приемника излучения изменяется с течением времени,
• автоматически формировать распределенные беспроводные сети со множеством узлов,
• корректировать потери связи, возникающие при отклонении антенных мачт, возникающих под воздействием ветра и других факторов
• минимизировать влияние источников помех на качество связи
• минимизировать отрицательное влияние на качество связи отражений сигнала от окружающих объектов
• определять направление на движущийся источник сигнала

Однако, несмотря на все указанные преимущества, антенны с управляемыми диаграммами направленности (направленные антенны с ФАР) до настоящего времени не нашли широкого применения в беспроводных системах связи, доступных на массовом рынке телекоммуникационного оборудования (в сетях WiFi, WiMax, 3G, DTV и т.п.), так как были дороги.
Решение задач минимизации числа используемых дорогих СВЧ элементов, уменьшения потерь мощности в волноводах, а также существенного снижения стоимости антенной системы при сохранении преимуществ антенн с электрически управляемой диаграммой направленности возможно в рамках концепции антенных решеток с пространственным питанием ее элементов - пассивных рассеивателей с управляемыми параметрами (в дальнейшем - технология управляемых пассивных рассеивателей - УПР). Изменение параметров рассеивателей возможно, например, за счет изменения параметров сосредоточенных нагрузок (варикапов, MEMS - конденсаторов и т.п.), включаемых в их конструкцию. Изменение параметров рассеивателей позволяет варьировать фазу и амплитуду переизлучаемых ими полей, что дает возможность формировать нужную диаграмму направленности всей системы рассеивателей.
Характерными особенностями антенн на базе фазированной антенной решетки является наличие сильной электродинамической связи между отдельными элементами, их образующими, а также сложный характер связи между параметрами рассеивателя и характеристиками (амплитудой и фазой) переизлученного им поля. Эти особенности затрудняют анализ антенн и требуют создания особых систем управления. Сложность анализа антенных решеток и систем управления многократно возрастает для электрически больших решеток (имеющих высокий коэффициент усиления),  поскольку для них необходимо использование большого числа рассеивающих элементов.
Первые высокочувствительные антенны с управляемыми рассеивателями были предложены более тридцати лет назад, однако не получили широкого распространения из-за отмеченных выше характерных особенностей, накладывавших высокие требования на возможности вычислительной техники, которую нужно было использовать как в ходе разработки антенны (для решения задач анализа и синтеза), так и при ее эксплуатации (для управления). Дополнительным фактором, который мешал прогрессу работ в данной области, было отсутствие потребностей в дешевых управляемых антеннах. Традиционные фазированные антенные решетки долго применялись в основном военными, снижение цены на изделия для которых не было главным выдвигаемым ими требованием.
Прогресс в области  микроэлектроники, приведший к резкому снижению цен на микропроцессорные устройства с одновременным ростом их производительности, позволил сделать применение УПР (ФАР) технологии в антенных системах экономически выгодным.
Массовое распространение цифровых беспроводных систем связи сформировало бурно растущий  рынок антенн для них. При этом по настоящий момент на массовом рынке отсутствуют явно востребованные управляемые антенны.
Исследования и разработки направлены на то, чтобы занять данную перспективную рыночную нишу, т.е. предложить рынку линейку продуктов, базирующихся на управляемых антеннах.

Разработки таких систем ведутся для диапазона частот 2.4 ГГц, при этом основное внимание уделяется использованию разрабатываемых антенн для WiFi и ZeegBee устройств.  Однако, получаемые для выбранного диапазона частот результаты могут  быть распространены и на другие диапазоны частот и иные системы связи и передачи данных (3G, LTE, DTV и т.п).

 

 

2. Описание предлагаемой технологии

а) Антенны с высоким коэффициентом усиления и возможностью секторного сканирования (ключевые составляющие технологии).

В качестве управляемых рассеивателей выбраны электрические вибраторы, нагруженные в центре емкостным импедансом, значение которого может изменяться. Вариация импеданса нагрузки позволяет настраивать фазу рассеянной вибратором волны. Одновременно с этим изменяется и амплитуда рассеянного поля. Предлагаемая конструкция (при которой рассеиватели размещаются в пространстве, а не на плоскости) позволяет произвольным образом изменять взаимное расположение рассеивателей, что расширяет возможности по оптимизации ее структуры для получения тех или иных характеристик.

Рис. 2

Пояснить принцип работы изделия можно на основе анализа его работы в режиме приема излучения внешнего источника (рис.2).
Для эффективного приема излучения значения нагрузок рассеивателей должны выбираться таким образом, чтобы фазы волн, создаваемых рассеивателями, обеспечивали оптимальное сложение этих волн в точке расположения приемопередающего элемента (облучателя). Необходимые значения импедансов нагрузок зависят от направления прихода волны. Возможность изменения значений импедансов должна позволять эффективно принимать излучение с различных направлений.

Рис. 3

Аналогичный принцип используется в параболических отражательных антеннах (рис.3), в которых плоская волна от стороннего источника трансформируется благодаря геометрии металлического параболического зеркала, таким образом, чтобы излучение фокусировалось в месте расположения облучателя антенны.

В отличие от зеркала, образованного управляемыми рассеивателями, направление эффективного приема излучения при фиксированном положении облучателя параболической антенны является неизменным (направление приема может быть изменено в небольших пределах за счет смещения облучателя из фокуса параболы).
Для практического воплощения описанной концепции была предложена и расчитана конкретная конструкция рассеивателя - электрического диполя, а также предложена архитектура всего зеркала, сформированного из рассеивателей. Кроме того,  определена конструкция облучателя зеркала и его расположение относительно рассеивателей. Конструкция  рассеивателя показана на рис. 4.

 

Рис. 4

Рассеиватель представляет собой одностороннюю печатную плату и образован плечами диполя (a), трансформатором импеданса - длинной линией (b), варикапом (c), подключенным к длинной линии, шунтирующими дросселями (d), отделяющими ВЧ часть рассеивателя от управляющих линий (e), по которым к варикапу прикладывается напряжение смещения. Длинная линия (трансформатор импеданса) введена в конструкцию для расширения диапазона изменения импеданса нагрузки на входе диполя.
 

Антенна, построенная с использованием разработанных рассеивателей нуждается в системе управления, которая обеспечивает формирование требуемой диаграммы направленности. Как отмечалось выше, создание системы управления для антенн с УПР является нетривиальной задачей и во многом из-за отсутствия таких систем управления они долгое время не развивались.

На основе большого объема выполненных НИОКР была предложена система управления на базе массива управляемых пассивных рассеивателей, использующая механизмы самоорганизации (самонастройки) массива рассеивателей. Аппаратная часть системы управления реализована на ПЛИС. Необходимые напряжения смещения на варикапах рассеивателей обеспечиваются с помощью ЦАП (на базе ШИМ модуляторов).  Система предоставляет до  до 500  независимых каналов  управления напряжениями смещения диодов в рассивателях. При этом обеспечивается:

• Низкая стоимость
• Низкое энергопотребление
• Высокая скорость переключения конечных состояний
• Быстрый интерфейс коммуникации с вычислительным устройством
• Высокая точность выходного сигнала (напряжения)
• Возможность переконфигурации

Низкое энергопотребление является одним из важнейших  свойств, которое позволяет также снизить стоимость системы. Обеспечение стабильности приема/передачи при изменении окружающей обстановки, а также поддержка многопользовательских режимов работы возможно при удовлетворении требованиям по высокой скорости переключения конечных состояний и быстроте интерфейса. Высокая точность выходного сигнала (малый дискрет переключения напряжений) обеспечивает возможность достижения максимального коэффициента усиления при данной конфигурации. Последнее требование позволяет сделать систему гибкой и предоставляет дополнительные возможности при проведении экспериментов с антенной.
Такая система с высоким коэффициентом усиления и возможностью секторного сканирования была изготовлена и с успехом испытана как в лабораторных, так и в полевых условиях (в реальных каналах связи испытания проводились внутри г. Нижнего Новгорода, между городами Н. Новгород и Бор, а также в г. Беркли (США). Цена прототипа антенны (с системой управления) - $500.

Измерения показали, что антенна обладает следующими характеристиками:

• рабочий диапазон частот 2.4 ГГц,
• ширина рабочей полосы частот до 200 МГц,
• коэффициент усиления антенной решетки более 21 дБи при размерах антенной решетки 60 см х 100 см.,
• перестройка главного лепестка диаграммы направленности от -60^о до +60^о в азимутальной плоскости и от -15^о до +15^о по углу места.

Фотография антенны (без защитного кожуха) представлена на рис. 5.

На рис. 6 представлены измеренные экспериментально семейства диаграмм направленности антенны, демонстрирующие возможность управления главным лепестком диаграммы как в горизонтальной, так и в вертикальной плоскостях.

На рис. 7 представлена фотография экрана монитора WiFi системы связи, оборудованной данной антенной и работающей в режиме поиска доступных wifi устройств на территории города Беркли (США). Система позволила обнаружить около 150 wifi устройств и определить направления на них; при штатной для wifi устройства  дипольной всенаправленной антенны  wifi устройства не регистрировались.
На рис.8 показана схема эксперимента по установлению дальней wifi связи с использованием разработанной технологии. Эксперимент состоял в последовательной настройке диаграммы направленности антенны на несколько удаленных абонентов с последующей установкой связи по протоколу IEEE 802.11b (WiFi) и измерением максимальной скорости передачи данных по этому протоколу с использованием исследуемой системы. Для измерения пропускной способности канала связи антенны подключались к устройствам беспроводной связи Gateworks Avila Network Processing System (GW2348-4) с сетевыми адаптерами 600mW Ubiquity XR2 802.11bg. Копирование по протоколу TCP/IP из точки 1 в точки 2, 3 и 4 случайно сгенерированного файла объемом 10 MB и контроль времени для различных частотных каналов позволили оценить производительность системы. Пропускная способность составила от 6,17 Мбит/с до 7,53 Мбит/с (6,85 Мбит/с ±10%), что сопоставимо с результатами измерений, проводившихся в подобных условиях с использованием стандартных параболических антенн  без возможности управления главным лепестком диаграммы направленности (при механическом повороте параболической антенны).

 

Рис. 5 Внешний вид без защитного кожуха

 

Рис. 6 Семейства диаграмм направленности в горизонтальной плоскости  (три рисунка соответствуют диаграммам направленности, смещенным в вертикальной плоскости)

 

 

 

Рис. 7 Эксперимент по пеленгации WiFi устройств и установлению связи с ними.

 

Рис. 8 Полевой эксперимент по установлению связи на большие расстояния.

б) Антенны с круговым сканированием

Антенны с круговым сканированием, построенные с использованием УПР технологии, образованы  многоярусной колинеарной антенной, окруженной слоем пассивных рассеивателей специальной конструкции (расчитанной с учетом влияния на их характеристики близко расположенного активного элемента и линий управления).  Внешний их вид показан на рис. 9 и рис 10. 
Для второго типа антенн достигнуты следующие характеристики:

• рабочий диапазон частот - 2.4 ГГц
• ширина полосы - 100/200 МГц
• коэффициент усиления - до 8 dBi
• диапазон углов сканирования - 360 градусов в горизонтальной плоскости

Вид диаграммы направленности данной системы показан на рис. 11.

 

Рис. 9 Внешний вид антенны с круговым сканированием (без защитного кожуха).

 

Рис. 10 Антенна с круговым сканированием рядом с wifi точкой доступа.

 

Рис. 11 Диаграмма направленности антенны с круговым сканированием.

 

 

3. Применение разработанных антенн

Разработанные прототипы демонстрируют возможность использования УПР технологии для создания антенн для реальных систем связи.
Следует отметить, что даннае системы могут быть масштабированы для использования в частотных диапазонах, отличных от 2.4 ГГц (использование на высоких частотах ограничивается отсутствием необходимых радиоэлементов или их высокой ценой).
Наиболее перспективными представляются следующие варианты применения антенн, построенных на базе УПР технологии:

• Создание 3G / LTE модема, оборудованного управляемой антенной
• Создание WiFi точки доступа, оборудованной управляемой антенной
• Создание самонастраиваемых антенн для быстроразворачиваемых на неподготовленных территориях систем связи (в том числе с большим числом узлов)
• Создание RFID систем большой дальности
• Создание клиентских терминалов для систем спутниковой связи
• Создание охранных радиолокационных систем
• Создание систем пеленгации подвижных объектов, передвигающихся по ограниченной территории
• Создание распределенных антенных систем (технология DAS)
• Производство антенн WiMax
• Производство антенн LTE

4. Возможные варианты коммерциализации технологии высокочувствительных направленных антенн с фазированной антенной решеткой

1. WiFi точка доступа с адаптивной антенной

WiFi точка доступа, снабженная антенной, позволяющей осуществлять круговое сканирование, может быть использована внутри помещений для достижения следующих целей:

• Увеличение скорости передачи информации для мобильного пользователя с беспроводным WiFi устройством, при его нахождении на територии хотспота.
• Увеличение размеров хотспота
• Гармонизация распределения трафика между всеми пользователями, находящимися на территории хотспота
• Создание хотспота с большим числом не мешающих друг другу точек доступа с целью увеличения скорости передачи информации абоненту (например, организация wifi зоны на конференции)
• Устранение "мертвых зон" на территории хотспота.
• Ликвидация утечек информации за границы хотспота.

 

2. 3G модем

Использование внешних направленных антенн позволяет увеличить скорость передачи информации в 3G сетях и/или расширить зону покрытия таких сетей. При этом в качестве внешних антенн могут выступать как антенны с высоким коэффициентом усиления и секторным сканированием, так и антенны со средним коэффициентом усиления и круговым сканированием.
Антенны с высоким коэффициентом усиления могут быть смонтированы на стене или на крыше здания и обеспечить автоматический поиск базовой станции 3G сети и адаптацию диаграммы направленности к наличию возмущающих объектов в ближней зоне антенны. Дополнительно антенна может позволить минимизировать влияние источников помех на качество связи.
Высокий коэффициент усиления означает узкий луч диаграммы направленности. Возможность иметь высокий коэффициент усиления позволяет иметь высокоскоростной канал, возможность управления узким лучем антенны позволяет сделать его стабильным (автоматическая компенсации возможных отклонений узкого луча, возникающих под воздействием ветровых, температурных и пр. факторов).
Антенны с круговым сканированием могут быть использованы внутри помещений для автоматической настройки на максимум принимаемого сигнала (максимум отношения сигнал/шум) в условиях многолучевого распространения сигнала, при наличии перемещающихся объектов. Автонастройка позволит обеспечивать высокую скорость обмена данными в 3G сети в ряде ситуаций, в которых обычные 3G модемы даже не могут установить связь.
Возможно объединения 3G модема с управляемой антенной с WiFi точкой доступа, которая также может быть снабжена управляемой антенной. Подобное объединение позволит эффективно раздавать на ограниченной территории интернет трафик по wifi каналу множеству мобильных абонентов.
Идея использования 3G модема с управляемой направленной антенной в России сталкивается с законодательными ограничениями. Согласно постановлению ГКРЧ в 3G сетях на стороне клиентских устройств допускается использовать только всенаправленные антенны.
Данное ограничение может быть преодолено при возможности переводить управляемую антенну во всенаправленный режим в момент передачи данных и в направленный режим в момент их приема. Согласно российскому законодательству на использование приемных антенн никакие ограничения не накладываются.
Ситуация с применением направленных антенн для 3G модемов в разных странах требует отдельного изучения.