Разработка секторной антенны для базовой станции сотовой связи с антенным элементом на диэлектрической подложке

Актуальность темы состоит в необходимости развития сетей сотовой связи, что с одной стороны, ставит перед инженерами задачу по разработке антенных устройств, обеспечивающих необходимую дальность связи, а с другой стороны, накладывает ограничения на линейные размеры излучателей с сохранением требований по простоте изготовления и надежности эксплуатации, с учетом неблагоприятных погодных условий. В условиях перехода к стандартам связи нового поколения возникает потребность в создании антенных систем, способных работать в широком диапазоне частот и обеспечивать устойчивый уровень сигнала при высокой плотности абонентов. Особую значимость приобретает разработка антенных решеток, позволяющих формировать заданные диаграммы направленности и обеспечивать равномерное покрытие обслуживаемой территории.

Цель исследования заключается в разработке малогабаритной антенной решетки с требуемыми электрическими характеристиками. Антенные элементы должны отличаться технологичностью изготовления.

В качестве численных методов для вычисления электрических характеристик антенны использованы метод конечных элементов и метод конечных разностей во временно́й области. Для решения задачи сокращения линейных размеров антенного элемента с сохранением направленных и диапазонных свойств применен градиентный метод оптимизации.

Результатом исследования является полноразмерный экспериментальный образец линейной антенной решетки базовой станции сотовой связи. Его конструкция и характеристики обоснованы в данной работе.

Научная новизна: описание методики нового подхода в изготовлении элемента антенны, отличающегося от существующих использованием специальной подстилающей вставки под каждый элемент антенной решетки.

Практическая значимость результатов научного исследования заключается в разработке антенной решетки, имеющую безыскаженную диаграмму направленности в диапазоне частот 1710–2700 МГц и коэффициент усиления не менее 15 дБ.

1. Liao B., Liu B., Deng S. A dual-polarized radiation element, antenna and its applications. Chinese Patent, no. CN201610561359.5, 15.07.2016.

2. Zhi N., Li K.-M. Antennas for Base Stations in Wireless Communications. New York, 2009. 372 p.

3. Wu Q., Li H., Wong S.-W., Lin Y.-C., He Y. A Low-Profile Dual-Polarized Dielectric Resonator Antenna for 2G/3G/4G Base Station Applications With Gain Enhancement // Proceedings of the International Workshop on Radio Frequency and Antenna Technologies (iWRF&AT, Shenzhen, China, 31 May – 03 June 2024). IEEE, 2024. PP. 486–488. DOI:10.1109/iWRFAT61200.2024.10594368

4. You C., He Y., Li W., Zhang L. A Novel High-Isolation Positive-and-Negative-45-Degree Dual-Polarization 5G mm Wave Micro Base Station Antenna // Proceedings of the International Symposium On Antennas And Propagation (ISAP, Kuala Lumpur, Malaysia, 30 October – 02 November 2023). IEEE, 2023. PP. 450–454. DOI:10.1109/ISAP57493.2023.10388575

5. Huang W., He Y., Khan A. A Novel Sub-6 GHz and Millimeter Wave Shared-Aperture 5G Base Station Antenna // Proceedings of the International Applied Computational Electromagnetics Society Symposium (ACES-China, Hangzhou, China, 15–18 August 2023). IEEE, 2023. PP. 1071–1072. DOI:10.23919/ACES-China60289.2023.10249829

6. Liao G., He Y., Song C. A Shared-Aperture Compact Quad-Band Linearly-Polarized Base Station Antenna // Proceedings of the 12th Asia-Pacific Conference on Antennas and Propagation (APCAP, Nanjing, China, 22–25 September 2024). IEEE, 2024. PP. 318–331. DOI:10.1109/APCAP62011.2024.10882098

7. Zhang L., Liu T., He Y. Wideband Dual-Polarized Antenna With Novel Grid Patch for Base Station Applications // Proceedings of the 12th Asia-Pacific Conference on Antennas and Propagation (APCAP, Nanjing, China, 22–25 September 2024). IEEE, 2024. PP. 962–967. DOI:10.1109/APCAP62011.2024.10881000

8. You C., He Y., Li W., Zhang L., Wong S.-W., Zhou Z. Design of Slot-Coupled Broadband 5G mm Wave Base Station Antenna Based on Double-Layer Patch // Proceedings of the International Microwave Workshop Series on Advanced Materials and Processes for RF and THz Applications (IMWS-AMP, Guangzhou, China, 27–29 November 2022). IEEE, 2022. DOI:10.1109/IMWS-AMP54652.2022.10106844

9. Huang W., He Y., Li W., Zhang L., Wong S.-W., Zeng Z. A Low-Profile Dual-Polarized Wideband Antenna for 5G Massive MIMO Base Station // Proceedings of the International Workshop on Electromagnetics: Applications and Student Innovation Competition (iWEM, Guangzhou, China, 28–30 November 2021). IEEE, 2021. PP. 2367–2371. DOI:10.1109/iWEM53379.2021.9790399

10. Li R., He Y., Song C. A Broadband SIW-Based Filtering Antenna for 5G mmWave Base Station Application // Proceedings of the International Workshop on Antenna Technology (iWAT, Sendai, Japan, 15–18 April 2024). IEEE, 2024. PP. 351–353. DOI:10.1109/iWAT57102.2024.10535836

11. Tu Z., Cui Y., Li R. A Compact Dual Broadband Shared-Aperture Antenna Array for 5G Base Station Applications // Proceedings of the Conference on Antenna Measurements and Applications (CAMA, Guangzhou, China, 14–17 December 2022). IEEE, 2022. PP. 2767–2774. DOI:10.1109/CAMA56352.2022.10002619

12. Li H., Xu J., Nan Y., Chen Q. Zhou C. Low-Profile Dual-Band Shared-Aperture Base Station Antennas Based on FSS Radiators // IEEE Antennas and Wireless Propagation Letters. 2024. Vol. 23. Iss. 6. PP. 1894–1898. DOI:10.1109/LAWP.2024.3372529

13. Shi H., Wu S., Shang F. Broadband magnetoelectric dipole antenna for 5G base station applications // Proceedings of the 13th International Symposium on Antennas, Propagation and EM Theory (ISAPE, Zhuhai, China, 01–04 December 2021). IEEE, 2021. PP. 660–663. DOI:10.1109/ISAPE54070.2021.9753134

14. Бородулин Р.Ю., Лукъянов Н.О., Лянгузов Д.А. Разработка антенной решетки с планарным антенным элементом // Телекоммуникации и связь. 2025. № 1(4). С. 74–85. DOI:10.21681/3034-4050-2025-1-74-85. EDN:FKUAKL