Как стать автором
Обновить

Создание высокочувствительной направленной антенны с ФАР или почему специалисты уезжают за рубеж

Время на прочтение 5 мин
Количество просмотров 17K
Спешу развеять возможный скепсис по поводу разведения «соплей» о тяжестях новаторов в России. Речь пойдет именно о замечательной и передовой технологии.


Высокочувствительные антенны на основе массива управляемых пассивных рассеивателей



Данная технология может применяться к различным типам антенн на очень широком частотном диапазоне от сотен мегагерц до 10 ГГц. Технология совершенно новая и не имеет аналогов.

Как известно, антенны с фазированной антенной решеткой (ФАР) до настоящего времени не нашли широкого применения в беспроводных системах связи, доступных на массовом рынке телекоммуникационного оборудования (в сетях WiMax, LTE, 3G, WiFi и т.п.). Были единичные попытки создания таких коммерческих антенных систем, но результаты были не пригодными для массового применения.

И виной тому 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 и, что еще более важно, программное обеспечение, являющееся весьма нетривиальной задачей в рамках данной технологии.

Между тем использование таких антенн привело бы к качественному скачку в возможностях беспроводных коммуникаций.

Забегая вперед скажу, что решение уже есть, но обо всем по порядку.

Приведу основные преимущества, схематичное описание технологии, варианты возможного применения технологии и подведу краткий итог.

Преимущества


Антенны изготовленные по данной технологии, обладают следующими преимуществами:
  • Низкая себестоимость — до $500 для базовых станций и до $100 для клиентских станций;
  • Автоматическое формирование распределенных беспроводных сетей со множеством узлов;
  • Минимизация влияния источников помех на качество связи;
  • Минимизация отрицательного влияния на качество связи отражений сигнала от окружающих объектов;
  • Определение направления на движущийся источник сигнала;
  • Низкое энергопотребление;
  • Высокая скорость переключения конечных состояний;
  • Быстрый интерфейс коммуникации с вычислительным устройством;
  • Высокая точность выходного сигнала (напряжения);
  • Возможность переконфигурации.


Описание технологии


Наши антенны могут быть исполнены в двух вариантах: с секторным сканированием и с круговым сканированием.

Антенны с круговым сканированием.


Концептуальная схема высокочувствительной антенны на 2,4 ГГц, обладающей высоким коэффициентом усиления и возможностью секторного сканирования:

схема

Антенна состоит из зеркала (a), образованного трехмерным массивом управляемых рассеивателей, и приемопередающего элемента (облучателя) (b).

В качестве управляемых рассеивателей предполагается использование электрических вибраторов, нагруженных 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.

Принцип работы:
принцип

Принцип работы изделия следующий — 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).

Для воплощения описанной концепции была рассчитана конструкция рассеивателя — электрического диполя, а также архитектура всего зеркала, сформированного из рассеивателей. Кроме того, определена конструкция облучателя зеркала и его расположение относительно рассеивателей.

Конструкция рассеивателя:
конструкция

Рассеиватель представляет собой одностороннюю печатную плату и образован плечами диполя (a), трансформатором импеданса — длинной линией (b), варикапом (с), 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.

Измерения тестового образца показали, что антенна обладает следующими характеристиками:
  • Рабочий диапазон частот 2.4 ГГц;
  • Ширина рабочей полосы частот до 200 МГц;
  • Коэффициент усиления антенной решетки более 21dBi при размерах антенной решетки 60см х 100см;
  • Перестройка главного лепестка диаграммы направленности от -60о до +60о в азимутальной плоскости и от -15о до +15о по углу места;
  • Обеспечение стабильности приема/передачи при изменении окружающей обстановки, а также поддержка многопользовательских режимов работы при удовлетворении требованиям высокой скорости переключения конечных состояний и быстроте интерфейса.
  • Средняя скорость передачи данных для устройств WiFi (IEEE 802.11b) — 6,85 Мбит/с на расстоянии 6,5км
  • Количество одновременных соединений — 135

Диаграмма направленности антенны с секторным сканированием (три рисунка соответствуют диаграммам направленности, смещенным в вертикальной плоскости):
image

Однако основным звеном в технологии, является программное обеспечение отвечающее за формирование требуемой диаграммы направленности. Была выбрана система управления использующая механизмы самоорганизации (самонастройки) массива рассеивателей.

Исполнение с круговым сканированием


Антенны с круговым сканированием, построенные с использованием УПР технологии, образованы многоярусной коллинеарной антенной, окруженной слоем пассивных рассеивателей специальной конструкции (рассчитанной с учетом влияния на их характеристики близко расположенного активного элемента и линий управления).

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

Диаграмма направленности антенны с круговым сканированием:
ДН круговой антенны

Возможные варианты коммерциализации 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).

Послесловие

Стоит отметить, что технология досконально проработана, была опробована в реальных условиях и показала превосходные результаты.
Также, несомненным является и тот факт, что перспективы у данной технологии крайне высоки, если не сказать, что за ней будущее.
Для более детального описания можно ознакомиться с презентацией.

Спасибо за внимание. Буду рад любым вопросам, замечаниям. И предложениям инвестирования.
Теги:
Хабы:
+13
Комментарии 28
Комментарии Комментарии 28

Публикации

Истории

Ближайшие события

Московский туристический хакатон
Дата 23 марта – 7 апреля
Место
Москва Онлайн
Геймтон «DatsEdenSpace» от DatsTeam
Дата 5 – 6 апреля
Время 17:00 – 20:00
Место
Онлайн