Ученые ТУСУРа разработали ультракомпактный СВЧ-фазовращатель для антенн связи нового поколения
Коллектив лаборатории Системного проектирования и автоматического расчета систем (СПАРС) кафедры компьютерных систем в управлении и проектировании (КСУП) университета разработала инновационный фазовращатель: ключевой компонент современных интеллектуальных антенн – фазированных антенных решеток. Результаты этого исследования, поддержанного грантом Российского научного фонда (РНФ), опубликованы в журнале Progress In Electromagnetics Research C.
Устройство, созданное учеными ТУСУРа по стандартной технологии печатных плат, позволяет мгновенно менять направление радиолуча без использования механических приводов. Технология найдет применение в базовых станциях сотовой связи, умных автомобилях и беспилотниках.
Современные технологии связи и радиолокации широко используют фазированные антенные решетки. Они состоят из множества мелких антенн, которые собирают радиоволны в один узкий и мощный луч, похожий на свет прожектора. Фазовращатель – это «мозг» такой системы. Изменяя фазу волны на каждой микроантенне, он за миллисекунды заставляет радиолуч отклоняться в нужную сторону без какого-либо механического поворота самой антенны. Это критически важно, например, для сверхскоростного интернета (5G/6G), когда базовая станция мгновенно «наводит» персональный радиолуч на смартфон движущегося человека.
Одной из проблем существующих фазовращателей были их большие габариты и сложность настройки – часто для их работы требовалось несколько линий управления. Ученым ТУСУРа удалось решить эту проблему с помощью специального «умного» ответвителя сигнала – поперечно-направленного ответвителя с трансформацией импеданса на связанных линиях с двойным экраном. Он позволил выжать максимум из стандартных полупроводниковых компонентов, обеспечив большой фазовый сдвиг при рекордно малых габаритах.
Новое устройство работает в самом востребованном диапазоне частот от 2,2 до 2,8 ГГц, который используется для скоростного мобильного интернета, Wi-Fi и Bluetooth. При этом габариты фазовращателя составляют всего десятые доли от длины волны, а СВЧ-сигнал проходит через него практически без потерь.
«Нам удалось совместить малые вносимые потери и большой управляемый фазовый сдвиг (более 180о) с использованием недорогих кремниевых варикапов. Применяется технология производства печатных плат с поверхностным монтажом всего лишь одного распределенного керамического и нескольких сосредоточенных компонентов. Многослойная структура фазовращателя, трансформируя импеданс, позволяет расширить диапазон управляемой фазы и отличается встроенной гальванической развязкой цепи управления и СВЧ-канала, не нуждаясь в дополнительных элементах; получает управляющее напряжение лишь по одной линии. Это открывает прямой путь к массовому удешевлению сложной радиоэлектроники для фазированных антенных решёток следующего поколения», – поясняет руководитель проекта, профессор кафедры КСУП Александр Сычев.
Галерея
