Исследование интегрированных линзовых антенн для локальных систем радиосвязи миллиметрового диапазона длин волн
Диссертация
Разработка экспериментальных макетов интегрированных линзовых антенн подразумевает решение нескольких задач. В первую очередь необходимо определить конкретные требования к сканирующим узконаправленным антеннам для локальных систем радиосвязи 60 ГГц диапазона частот. Для определения требований к коэффициенту усиления антенны локальных систем радиосвязи миллиметрового диапазона длин волн можно… Читать ещё >
Содержание
- 1. Требования к антеннам беспроводных локальных систем радиосвязи миллиметрового диапазона длин волн
- 1. 1. Современные беспроводные локальные системы связи миллиметрового диапазона длин волн
- 1. 2. Поставновка требований к антеннам беспроводных локальных систем связи миллиметрового диапазона
- 1. 3. Примеры существующих антенных систем с электронным сканированием луча
- 2. Методы расчета и моделирования антенн миллиметрового диапазона длин волн
- 2. 1. Обзор существующих методов расчета
- 2. 2. Метод расчета антенн на основе физической оптики
- 2. 3. Расчет импульсных полей апертурных антенн
- 2. 4. Метод конечных разностей во временной области
- 2. 5. Сравнительный анализ рассмотренных методов расчета антенн
- 3. Разработка и экспериментальное исследование макетов интегрированных линзовых антенн
- 3. 1. Концепция интегрированных линзовых антенн
- 3. 1. 1. Эллиптические линзовые антенны
- 3. 1. 2. Полусферические линзовые антенны с цилиндрическим продолжением
- 3. 1. 3. Приближенный аналитический расчет характеристик интегрированной линзовой антенны
- 3. 2. Исследование сканирующей способности интегрированной кремниевой линзовой антенны
- 3. 2. 1. Определение геометрических параметров линз
- 3. 2. 2. Разработка планарного антенного элемента для макетов кремниевых интегрированных линзовых антенн
- 3. 2. 3. Электромагнитное моделирование макетов кремниевых интегрированных линзовых антенн
- 3. 2. 4. Разработка LTCC волноводно-микрополоскового перехода для диапазона частот 60 ГГц
- 3. 2. 5. Экспериментальные измерения характеристик макетов кремниевых интегрированных линзовых антенн
- 3. 3. Кварцевая интегрированная линзовая антенна с электронным сканированием между 4-мя положениями луча
- 3. 3. 1. Определение геометрических параметров линз
- 3. 3. 2. Разработка планарного антенного элемента
- 3. 3. 3. Разработка распределительной системы для решетки из четырех переключаемых антенных элементов
- 3. 3. 4. Электромагнитное моделирование кварцевых интегрированных линзовых антенн
- 3. 3. 5. Разработка волноводно-микрополоскового перехода
- 3. 3. 6. Экспериментальное исследование характеристик макетов кварцевых интегрированных линзовых антенн с 4-х позиционным электронным сканированием
- 3. 4. Кварцевая интегрированная линзовая антенна с двумерным электронным сканированием между 16-ю положениями луча
- 3. 4. 1. Структура первичного микрополоскового антенного элемента
- 3. 4. 2. Разработка распределительной системы на 16 антенных элементов
- 3. 4. 3. Подведение сигнала с помощью СВЧ коаксиального коннектора
- 3. 4. 4. Топологии разработанных печатных плат и результаты электромагнитного моделирования
- 3. 4. 5. Результаты экспериментального исследования макетов линзовых антенн с электронным сканированием луча
- 3. 5. Сравнение характеристик различных линзовых антенн
- 3. 1. Концепция интегрированных линзовых антенн
Список литературы
- E. Perahia and R. Stacey, Next Generation Wireless LANs: Throughput, Robustness, and Reliability in 802.1 In. Cambridge University Press, 2008 — 385 p.
- Doan H. D et al. Millimeter-wave CMOS Design // IEEE Journal of Solid-State Circuits. 2005. V. 40. N. l.P. 144−155.
- Reynolds S. K et al. A Silicon 60-GHz Receiver and Transmitter Chipset for Broadband Communications // IEEE Journal of Solid-State Circuits. 2006. V. 41. N. 12. P. 2820−2831.
- A. Maltsev et al, «Experimental investigations of 60 GHz WLAN Systems in office environment», IEEE J. on Selected Areas in Commun., vol. 27, no. 1, pp. 1488−1499, Jan. 2009.
- Cohen, E.- Jakobson, C.- Ravid, S.- Ritter, D. A thirty two element phased-array transceiver at 60GHz with RF-IF conversion block in 90nm flip chip CMOS process // IEEE Radio Frequency Integrated Circuits Symposium (RFIC), 2010.
- R. J. Mailloux, Phased array antenna handbook. London: Artech House, 2nd ed., 2005.
- R. C. Hansen, Phased array antennas. New York: Wiley-Interscience, 1998.
- Johannes A. G. Akkermans Planar Beam-forming Antenna Array for60-GHz Broadband Communication. PhD thesis, Technical University of Eindhoven, PrintPartners Ipskamp, the Netherlands, 2009.
- Ji-Yong Park, Yuanxun Wang, and Tatsuo Itoh A 60 GHz Planar Phased Array Integrated with Even-Harmonic I/Q Mixers // The 5th Symposium on Millimeter Waves (TSMMW 2003), Yokosuk, Kanagawa, Japan, March 17−18, 2003. Technical Digest, pp. 199−202.
- A. Valdes-Garcia, S. Nicolson, J. Lai, A. Natarajan, P. Chen, S. Reynolds, J. Zhan, B. Floyd, D. Kam, and D. Liu, A 16-element phased-array transmitter IC and package for 60GHz communications // International Microwave Symposium (IMS), 2010.
- Laskar, J. at al. 60GHz CMOS/PCB co-design and phased array technology // IEEE Custom Integrated Circuits Conference, CICC, 2009.
- J. Lizarraga, B. Martinez and C. del-Rio, Spherical Discrete Lens Antenna for multiple-beam applications // 20th International Conference on Applied Electromagnetics and Communications (ICECom 2010), 20−23 September 2010, Dubrovnik.
- Jeong Ho Lee, Seungpyo Hong, Won Ki Kim, Jae We An, Myoung Youl Park, A Switched Array Antenna Module for Millimeter Wave Wireless Communications // Proceeding of GSMM2008.
- S. Alamouti, A. Maltsev, N. Chistyakov, A. Artemenko «mmWave scanning antenna,» US patent № 7,683,844, March 23, 2010.
- D. F. Filipovic, S. S. Gearhart, and G. M. Rebeiz, «Double slot antennas on extended hemispherical and elliptical silicon dielectric lenses,» IEEE Trans. Microwave Theory Tech., vol. 41, pp. 1738−1749, Oct. 1993.
- D. Pasqualini, S. Maci, «High-Frequency Analysis of Integrated Dielectric Lens Antennas,» IEEE Trans. Antennas and Propagation, vol. 52, No. 3, pp. 840−847, March 2004.
- T. H. Buttgenbach, «An improved solution for integrated array optics in quasioptical millimeter and submillimeter waves receivers: The hybrid antenna,» IEEE Trans. Microwave Theory Tech., vol. 41, pp. 1750−1761, Oct. 1993.
- G. P. Gauthier, W. Y. Ali-Ahmad, T. P. Budka, D. F. Filipovic, and G. M. Rebeiz, «A uniplanar 90 GHz Schottky-diode millimeter wave receiver,» IEEE Trans. Microwave Theory Tech., vol. 43, pp. 1669−1672, July 1995.
- H. Z. Zirath, C.-Y Chi, N. Rorsman, and G. M. Rebeiz, «A 40-GHz integrated quasi-optical slot HFET mixer,» IEEE Trans. Microwave Theory Tech., vol. 42, pp. 2492−2497, Dec. 1994.
- M. J. M. van der Vorst Apr. 1999, 'Integrated lens antennas for submillimetre-wave applications,' PhD thesis, ISBN 90−386−1590−6. Technical Univ. of Eindhoven, Netherlands.
- D. F. Filipovic, G. P. Gauthier, S. Raman, and G. M. Rebeiz, «Off-Axis Properties of Silicon and Quartz Dielectric Lens Antennas,» IEEE Trans, on Antennas and Propagation, vol. 45, No. 5, pp. 760−766, May 1997.
- W. L. Stutzman and G. A. Thiele, Antenna theory and design. Chichester: Wiley, 2nd ed., 1998.
- P. Smulders, Exploiting the 60 GHz Band for Local Wireless Multimedia Access: Prospects and Future Directions, IEEE Commun. Mag., vol. 40., no. 1, pp. 140 147, Jan. 2002.
- P. Smulders, H. Yang, and J. Akkermans, «On the design of low-cost 60-GHz radios for multigigabit-per-second transmission over short distances,» IEEE Commun. Mag., vol. 45, pp. 44−51, December 2007.
- Минкович Б.М., Яковлев В. П. Теория синтеза антенн. М.: Сов. радио, 1969. — 296 с.
- Жуков В.Б. Теория синтеза и оптимизации антенн. СПб.: Элмор, 2001. — 162 с. ISBN: 5−7399−0080−8.
- Шифрин Я. С. Вопросы статистической теории антенн. М.: Сов. радио, 1970. — 382 с.
- Петрунькин В.Ю. Приближенная диффракционная формула. Труды ЛПИ, 1955. № 181. Радиофизика. С. 75 — 77.
- Борн М., Вольф Э. Основы оптики. М.: Наука, 1970. — 856 с.
- Фок Проблемы диффракции и распространения электромагнитных волн. -М.: Сов. Радио, 1970. 517 с.
- Хенл X., Мауэ А., Вестпфаль К. Теория дифракции. М.: Мир, 1964. — 428 с.
- Bouwkamp С. J. Diffraction theory. // Rep. Progr. Phys. 1954. — Vol. 17. P. 35−100.
- Nieto Vesperinas, M. Scattering and Diffraction in Physical Optics. New York: Wiley. -1991.
- Уфимцев П.Я. Метод краевых волн в физической теории дифракции М.: , Советское радио, 1962 г. — 243 с.
- С. A. Balanis Antenna theory: analysis and design. 2nd edition, John Wiley & Sons, Inc, 1997.
- Harmuth H.F. Correction of Maxwell’s equations for signals I and II. // IEEE Trans. Electromagnetic Compatibility. 1986. — V. EMC-28. P. 250−266.
- Астанин Л.Ю., Костылев А. А. Основы сверхширокополосных радиолокационных измерений. М.: Радио и связь, 1989. 192с.
- Глебович Г. В., Андриянов А. В., Введенский Ю. В. и др. Исследование объектов с помощью пикосекундных импульсов. / Под ред. Г. В. Глебовича М.: Радио и связь, 1984. — 256 с.
- Baum С. Е. Impulse Radiating antennas. // In book U-WB, Short-Pulse Electromagnetics, ed. by Bertroni et al. Plenum Press, 1993.
- H-T.Chou, P.H.Pathak, and P.R.Rousseau. «Analytical solution for early-time transient radiation from pulse-excited parabolic reflector antenna IEEE Trans, on Antennas and Prop., 1997, v.45, No.5, pp. 829−836.
- De Oliveira R., Helier M. Closed-Form Expressions of the Axial Step and Impulse Responses of a Parabolic Reflector Antenna. // IEEE Trans. Antenna Propagat. April 2007. Vol. 55, No. 4, P. 1030- 1037.
- Wu, T.T. Electromagnetic Missiles. // J. Appl. Phys. 1985. — Vol. 57.P. 2370 — 2373.
- Baum С. E., Carin L., Stone A. P. Ultra-Wideband, Short-Pulse Electromagnetics. -Plenum Press, 1997. ISBN 0−306−45 593−5.
- Steinberg, B.Z., Heyman, E., and Felsen, L.B. Phase-space beam summation for time-dependent radiation from large apertures: continuous parameterization. // J. Opt. Soc. Am. A. 1991. No. 8. P. 943 958.
- Гутман B.M. Метод Кирхгофа для расчета импульсных полей. // Радиотехника и электроника. 1997. — Т.42. № 3. — С. 271.
- Baum, С.Е. (1987) Focused aperture antennas. // Air Force Weapons Laboratory, Sensor and Simulation Notes, Note 306.
- Baum С. E. General Properties of Antennas. // Sensor and Simulation note 330. July 23 1991.
- Baum С. E. Radiation of Impulse-Like Transient Fields. // Sensor and Simulation note 331.-November 25 1989.
- Baum, C.E. A simplified two-dimensional model for the fields above the distributed source, surface transmission line. // Air Force Weapons Laboratory, Sensor and Simulation Notes. -1968. Note 66.
- Baum С. E. Aperture Efficiencies for IRAs. // Sensor and Simulation note 331. June 24 1991.
- Baum С. E. The singularity expansion method. // In Transient Electro-Magnetic Fields, Felsen, L. В., Ed. New York: Springer. — 1976. — Chap. 3.
- Muskhelishvili, N.I. Singular Integral Equations. Groningen-Holland: Noord — hoff. 1953.
- Skulkin S., Turchin V. Radiation of nonsinusoidal waves by aperture antennas. // in book Electromagnetic Environments and Consequences. // Ed. by J.-Ch.Bolomey. Gramat. France, 1994. — P. 1498−1504.
- Сильвестер П. и Феррари Р. Метод конечных элементов для радиоинженеров и инженеров-электриков. —Москва: Мир, 1986. — 336 с.
- Monk, P. Finite Element Methods for Maxwell’s Equations. — Clarendon Press, Oxford, 2003.
- Maloney, J.G., Smith, G.S., and Scott, W.R., Jr. Accurate computation of the radiation from simple antennas using the finite-difference time-domain method. // IEEE Trans. Antenna Propagat. 1990. — Vol. 38. P. 1059 — 1068.
- Kane Yee (1966). «Numerical solution of initial boundary value problems involving Maxwell’s equations in isotropic media», IEEE Transactions on Antennas and Propagation 14, pp. 302−307.
- A. Taflove (1980). «Application of the finite-difference time-domain method to sinusoidal steady state electromagnetic penetration problems». IEEE Transactions on Electromagnetic Compatibility 22: 191−202.
- Allen Taflove and Susan C. Hagness (2005). Computational Electrodynamics: The Finite-Difference Time-Domain Method, 3rd ed. Artech House Publishers.
- Lee H. Y., Jun D. S., Moon S. E. et al. «Wideband Aperture Coupled Stacked Patch Type Microstrip to Waveguide Transition for V-band,» IEEE Proc. of Asia-Pacific Microwave Conf., 2006, pp. 360−362.
- J. H. Choi, К. Tokuda, H. Ogawa, and Y. H. Kim, «Gap-Coupled Patch-Type Waveguide-to-Microstrip Transition on Single-Layer Dielectric Substrate at V Band,» Electron. Lett., vol. 40, no. 17, pp. 1067−1068, Aug. 2004.
- H. Y. Lee, D. S. Jun, S. E. Moon, E. K. Kim, J. H. Park, and К. H. Park, «Wideband Aperture Coupled Stacked Patch Type Microstrip to Waveguide Transition for V-band,» Proceedings of Asia-Pacific Microwave Conference 2006.
- Артеменко А. А., Масленников P. О., Севастьянов А. Г., Ссорин В. H. «Волноводно-микрополосковый переход в частотном диапазоне 60 ГГц,» 19-я Междунар. Крымская Конф. СВЧ Техника и Телекоммуникационные Технологии, Сентябрь 2009, стр. 505−506.
- К. W. Kim, С. Н. Na, and D. S. Woo, «New Dielectric-Covered Waveguide-to-Microstrip Transitions for Ka-Band Transceivers,» 2003 IEEE MTT-S Int. Microwave Symp. Dig., vol. 2, pp. 1115−1118, June 2003.
- Y. C. Shih, T. Ton, L. Q. Bui., «Waveguide-to-microstrip transitions for millimeter-wave applications», IEEE MTT-S, pp. 473−475,1988.
- H. W. Yao, A. Abdelmonem, J. F. Liang, and K. A. Zaki, «Analysis and Design of Micro strip-to-Waveguide Transitions,» IEEE Trans. Microwave Theory & Tech., vol. 42, no. 12, pp. 2371−2380, Dec. 1994.
- W. Grabherr, B. Huder, and W. Menzel, «Microstrip to Waveguide Transition Compatible with MMWave Integrated Circuits,» IEEE Trans. Microwave Theory & Tech., vol. 42, no. 9, pp. 1842−1843, Sept. 1994.
- Артеменко A.A., Скулкин С. П., Турчин В. И., Анализ критерия дальней зоны для больших антенн с использованием их переходных характеристик, Антенны, Изд. Радиотехника, № 2 (165), 2011, С. 47−53.
- Артеменко А.А., Скулкин С. П., Турчин В. И., Особенности прямых измерений диаграмм направленности широкополосных антенн с учетом размеров апертуры измерительной антенны, Известия ВУЗов: Радиофизика, том 54, № 11, 2011 г., С. 819−828.
- Артеменко А.А., Скулкин С. П., Анализ ближнего монохроматического поля при разных распределениях поля по апертуре антенны, Вестник ННГУ, серия: Радиофизика. № 1(1), 2012, С. 56−61.
- Артеменко А.А., Скулкин С. П., Импульсное дальнее поле при разных распределениях поля по апертуре антенны, Антенны, Изд. Радиотехника, № 6 (169), 2011, С. 35−38.
- Описание продукта CST Microwave Studio Электронный ресурс] URL: http://www.cst.com/Content/Products/MWS/Overview.aspx.
- Артеменко A.A., Мальцев A.A., Масленников P.О, Севастьянов А. Г., Сорин В. В., Исследование кремниевых интегрированных линзовых антенн для систем радиосвязи частотного диапазона 60 ГГц // Известия ВУЗов: Радиофизика, том LV, № 8, 2012 г., С. 565−575.
- D. U Pow, «A microstrip antenna aperture coupled to a microstrip line,» ElectronicsLetters, vol. 21, pp. 49−50, January 17, 1985.
- P. L. Sullivan and D. H. Schaubert, «Analysis of an aperture Microstrip antenna,» IEEE Trans. Antenms Propgat., vol. AP-34, pp. 977−984, Aug. 1986.
- D. M. Pozar, «A reciprocity method of analysis for printed slot and slot coupled microstrip antennas,» IEEE Transactions on Antennas and Propagation, Vol. 34, No. 12, 1439−1446, 1986.
- M. Hima, J. P. Daniel, and C. Terret, «Analysis of aperture-coupled microstrip antenna using cavity method,» Electron. Lett., vol. 25, pp. 391−392, Mar. 1989.
- Можаровский А.В., Артеменко А. А., Мальцев А. А., Экспериментальное исследование кварцевых интегрированных линзовых антенн диапазона 60 ГГц, Труды шестнадцатой научной конференции по радиофизике 18 мая 2012 г., ННГУ, Нижний Новгород.
- Спецификация переключателя HMV-SDD112 Электронный ресурс] URL: http://www.hittite.com/content/documents/datasheet/hmc-sddl 12.pdf.
- Описание продукта HFSS Электронный ресурс] URL: http://www.ansoft.com/hfss/.
- Сивухин Д. В. Общий курс физики. — М.: Т. IV. Оптика.
- Можаровский А.В., Артеменко А. А., Гибридный метод расчета характеристик интегрированных линзовых антенн, Труды пятнадцатой научной конференции по радиофизике 12 мая 2011 г., ННГУ, Нижний Новгород.
- A. Karttunen, J. Ala-Laurinaho, R. Sauleau, A. V. Raisanen, «A Study of Extended Hemispherical Lenses for a High-Gain Beam-Steering Antenna,» the 4th IEEE European Conference on Antennas and Propagation, Barcelona, 2010.
- D. B. Rutledge, D. P. Neikirk, and D. P. Kasilingam, Integrated circuit antennas, Infrared and Millimeter-Waves, K. J. Button, Ed. New York: Academic, 1983, vol. 10, pp. 1−90.
- E. J. Rothwell and M. J. Cloud, Electromagnetics. London: CRC Press, 2001.
- G. Godi, R. Sauleau, D1 Thouroude, Performance of Reduced Size Substrate Lens Antennas for Millimeter-Wave Communications, IEEE Transactions on Antennas and Propagation, Vol. 53, No. 4, April 2005.
- Hansen R. C. and Bailin L. L. A new method of near field analysis. IRE Trans. Antennas Propagat. Dec. 1959. — Vol. AP-7, P. 458−467.
- Theodorou E. A., Gorman M. R., Rigg P. R., Kong F. N. Broadband pulse-optimized antenna. // IEEE Proc. June 1981. — Vol. 128. Pt. H. No. 3. — P. 124 — 129.
- Скулкин С.П. Импульсное поле прямоугольной плоской апертуры. // Изв.вузов. Радиофизика. 2008, т. LI, № 12, с.1081−1088.
- Hacker P. S., Shrank Н. Е. // IEEE Trans, on АР. 1982. vol. АР-30 P. 956−966.
- Uno Т., Adachi S. // IEEE Trans, on AP. 1989. vol. AP-37. P. 707−720.
- Skulkin S. P., Turchin V. I. Transient field calculation of aperture antennas. // IEEE Trans. -May 1999. Vol. AP-47. — P. 929−932.
- K. R. Umashankar and A. Taflove (1982). «A novel method to analyze electromagnetic scattering of complex objects». IEEE Transactions on Electromagnetic Compatibility 24: 397 405.
- J. Berenger (1994). «A perfectly matched layer for the absorption of electromagnetic waves». Journal of Computational Physics 114: 185−200.
- S. D. Gedney (1996). «An anisotropic perfectly matched layer absorbing media for the truncation of FDTD lattices». IEEE Transactions on Antennas and Propagation 44: 1630−1639.
- W. B. Dou and Z. L. Sun, «Ray tracing on extended hemispherical and elliptical silicon dielectric lenses,» International Journal of Infrared and Millimeter Waves, Vol. 16, pp. 1993 -2002, No. 1L, 1995.
- A. Neto, S. Maci, P. J. I. de Maagt, «Reflections inside an elliptical dielectric lens antenna,» IEEE Proc.-Microw. Antennas Propag., vol. 145, No. 3, pp. 243−247, June 1998.
- N. Т. Nguyen, R. Sauleau, and C. J. M. Perez, «Very Broadband Extended Hemispherical Lenses: Role of Matching Layers for Bandwidth Enlargement,» IEEE Transactions on Antennas and Propagation, Vol. 57, No. 7, pp. 1907−1913, July 2009.
- M. Kominami, D. M. Pozar, and D. H. Schaubert, «Dipole and Slot Elements and Arrays on Semi-Infinite Substrates,» IEEE Transactions on Antennas and Propagation, vol. AP-33, No. 6, pp. 600−607, June 1985.
- H. Schrank, K. Praba, «Optimal Aperture for Maximum Edge-of-Coverage (EOC) Directivity,» IEEE Antennas and Propagation Magazine, vol. 36, No. 3, pp. 72−74, June 1994.
- G. V. Eleftheriades and G. M. Rebeiz, «Self and mutual admittance of slot antennas on a dielectric half-space,» Int. J. Infrared Millim. Waves, vol. 14, no. 10, pp. 1925−1946, Oct. 1993.
- P. Otero, G. V. Eleftheriades, and J. R. Mosig, «Integrated modified rectangular loop slot antenna on substrate lenses for mm-and sub-mm-wave frequencies mixer applications,» IEEE Trans. Antennas Propagat., vol. 46, pp. 1489−1497, Oct. 1998.
- Спецификация переключателя TGS4306-FC Электронный ресурс] URL: http://www.triquint.eom/products/p/TGS4306-FC.
- Спецификация коннектора 11 923 Agilent Technologies Электронный ресурс] URL: http://cp.literature.agilent.com/litweb/pdf/11 923−90 001.pdf.