Kotelnikov Institute of Radio Engineering and Electronics of RAS Русский Sign in Submit a paper
Journal of Radio Electronics Online scientific journal · eISSN 1684-1719
2018, № 7 · RADIO ENGINEERING

Многолучевые антенны для систем радиолокации и связи

A.V. Shishlov1,2, B.A. Levitan1,2,3, S.A. Topchiev1, V.R. Anpilogov4, V.V. Denisenko1,3

1 ПАО «Радиофизики», 125363, г. Москва, ул. Героев Панфиловцев, д. 10, Russia
2 Московский физико-технический институт, 141701, Московская облаcть, г. Долгопрудный, Институтский пер., д. 9
3 Московский авиационный институт, 125993, г. Москва, A-80, ГСП-3, Волоколамское шоссе, д. 4, Russia
4 ЗАО «ВИСАТ-ТЕЛ» (123182, Москва, ул. Щукинская, д.6, корп.3, Russia
Full text (PDF) DOI: 10.30898/1684-1719.2018.7.6 EDN VABFJM

Abstract

In this survey the state-of-the-art and trends of multibeam antenna (MBA) for radar and communication systems are considered. Architectures, principal features and applications of various MBAs are introduced and accompanied by practical examples. MBAs as assemblies of single-beam antennas are widely used in base stations of cellular communication. Though the antenna assemblies are bulky, their beams can be individually directed and optimized. Reflector MBAs have high directivity and are simple. Key points of reflector MBAs are limited field of view and low overlapping level of neighbor beams. State-of-the-art dual-reflector single-feed-per-beam (SFB) MBAs with one-dimensional sights of view have over one hundred beams in one plane. MBAs with two-dimensional sights of view have up to several dozen beams in cross-section. Good overlapping of beams is achieved by grouping several SFB reflector (or lens) MBAs with alternated beams. The other way of providing good overlapping is generating beams from single aperture by multiple-feed-per-beam (MFB). Antenna arrays with Rotman lens beamformers can have hundreds of fixed or frequency scanned beams. These MBAs have low losses, are simple, and compact. In active arrays, losses in beamformers do not decrease significantly antenna electrical performances. For this reason, compact printed microstrip beamformers or even integrated circuit (IC) beamformers having reach beamforming capabilities can be used in active arrays despite valuable losses. Active electronically scanned arrays (AESA) are capable to form several independent scanning beams. AESAs with digital beamforming are capable to form hundreds or thousands independent beams due to advanced digital ICs.

  • multibeam antenna (MBA)
  • multibeam reflector antenna
  • multibeam lens antenna
  • multibeam phased array antenna
  • multibeam array-fed reflector antenna
Аннотация (на русском)

Многолучевые антенны для систем радиолокации и связи

В обзоре изложены современное состояние и тенденции развития многолучевых антенн (МЛА) для систем радиолокации, связи, радиомониторинга и других радиосистем. Рассмотрены принципы построения, особенности и области применения различных видов МЛА, приведены примеры МЛА в виде наборов однолучевых антенн, МЛА на основе зеркальных и линзовых антенн, антенных решеток (АР), а также активных фазированных антенных решеток (АФАР) и гибридных зеркальных антенн (ГЗА).

For citation

Shishlov A.V., Levitan B.A., Topchiev S.A., Anpilogov V.R., Denisenko V.V. Многолучевые антенны для систем радиолокации и связи // Journal of Radio Electronics. – 2018. – No. 7. https://doi.org/10.30898/1684-1719.2018.7.6

References

  1. Анпилогов В.Р., Шишлов А.В., Эйдус А.Г. Многолучевые антенные системы HTS//Технологии и средства связи. 2013, № 6-2 (99), c. 54 -67.
  2. Fujimoto K. Mobile antenna systems handbookю Third edition. 2008 Artech House, Inc., 2008, 769 p.
  3. Design of Multibeam Antennas for the Commercial Stratospheric Communication System//Final Report of research project for ETRI, Project Manager Shishlov A., 2000, Moscow, JSC "Apex", 147 p.
  4. Sayeed A. AT&T debuts 5G channel sounder ‘Porcupine' with NI | FierceWireless//University of Wisconsin-Madison, Wireless Communication and Sensing Lab, URL: https://dune.ece.wisc.edu/?p=1013
  5. Huang K.Ch., Edwards D.J. Millimeter Wave Antennas for Gigabit Wireless Comunications. A John Wiley and Sons Ltd., 2008, 274 p.
  6. Анпилогов В.Р., Гриценко А. Анализ многолучевой рабочей зоны спутников OneWeb//Технологии и средства связи. Специальный выпуск «Спутниковая связь и вещание-2017», с. 78-86.
  7. Бирюков В.Л., Ефимова Н.А., Калиничев В.И., Калошин В.А., Пангонис Л.И. Исследование сверхширокополосной кольцевой антенной решетки, Журнал радиоэлектроники, 2013, №1. URL: http://jre.cplire.ru/jre/jan13/20/text.pdf
  8. Сомов А.М., Кабетов Р.В. Проектирование антенно-фидерных устройств//М. Горячая линия -Телеком, 2015, 500 с.
  9. Калошин В.А. Зеркальная антенна//Патент РФ, №2173496, 10.09.2001 г.
  10. Кривошеев Ю.В., Шишлов А.В., Ганин С.А., Ём И.В., Ом М.С., Юн С.Х. Кластерный облучатель многолучевых зеркальных антенн на основе ребристо-стержневых излучателей//Радиотехника, 2016, № 4, с. 56-62.
  11. Schneider M., Hartwanger C., Wolf H. Antennas for multiple spot beam satellites//CEAS Space J. -2011, URL: https://link.springer.com/
  12. Céline Leclerc, Maxime Romier, Hervé Aubert, and Ayoub Annabi. Ka-Band Multiple Feed per Beam Focal Array Using Interleaved Couplers. -IEEE Transactions on Microwave Theory and Techniques, Vol. 62, No. 6, June 2014, pp. 1322-1329.
  13. Калошин В.А., Многолучевые гибридные антенны, Труды 13 Международной Крымской конференции «КрыМиКо-2003: СВЧ техника и телекоммуникационные технологии», с.383-390, Севастополь, сентябрь 2003 г., стр. 387-390.
  14. Гуркин Е.Н., Коган Б.Л. Двухзеркальная система для антенны с широким сектором формирования лучей в одной плоскости//Вестник МГТУ им. Н.Э. Баумана, 2009, Специальный выпуск «Антенны и устройства радио-и оптического диапазонов», с.23-28.
  15. Пластиков А.Н. Проектирование многолучевых офсетных двухзеркальных антенн с однокоординатным и двухкоординатным сканированием//Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук. М. МЭИ. 2013. 186 с.
  16. Кинбер Б.Е., Классен В.И., Стеблин В.И. Теория трехмерных бифокальных антенн//Радиотехника и электроника, 1983, №8, с. 1509-1517.
  17. Dragone C. Unique reflector arrangement with very wide field of view for multibeam antennas//Electronic Letters, 1983, vol. 19, No 25/26, pp. 1061-1062.
  18. Калошин В.А., Фролова Е.В. Характеристики двухзеркальных осесимметричных апланатических антенн. -Антенны, № 7 (110), 2006 г., с. 45 -51.
  19. Калошин В.А., Фролова Е.В. Характеристики офсетных двухзеркальных апланатических антенн. -Антенны, № 10 (137), 2008 г., с. 9 -13.
  20. Венецкий А.С., Калошин В.А., Об аберрациях эйконала в осесимметричных двухзеркальных телескопических системах//Радиотехника и Электроника, 2016, т.61, №4, с.327-336.
  21. Шишлов А.В., Шубов А.Г. Эффективность антенных устройств с контурными диаграммами направленности//Электромагнитные волны и электронные системы. 1997, т.2, № 1, с. 54-57.
  22. Реутов А.С., Шишлов А.В. Особенности поэтапного синтеза рефлекторов зеркальных антенн с контурными диаграммами направленности с использованием сплайнового представления поверхности зеркала//Электромагнитные волны и электронные системы. 2003, т.8, № 2, с. 4-14.
  23. Шишлов А.В. Зеркальные антенны с контурными диаграммами направленности -эффективность и предельные возможности//Радиотехника, 2006, №4, с.45-50.
  24. Шишлов А.В. Теория и проектирование зеркальных антенн для радиосистем с контурными зонами обслуживания//Радиотехника, 2007, № 4, с. 39 -49.
  25. Виленко И.Л., Кривошеев Ю.В., Шишлов А.В., Ём И.В., Ом М.С., Юн С.Х. Двухлучевая многозеркальная бортовая антенна спутниковой связи диапазона 20/30 ГГц с перенацеливаемым лучом изменяемой формы//Антенны, 2016, №10 (230), с. 51-60.
  26. Венецкий А.С, Калошин В.А, Распределение эйконала на поверхности осесимметричной диэлектрической линзы и минимизация аберраций//Радиотехника и Электроника, 2018, т.63, №2, с. 144-156.
  27. Ruze J. Wide-Angle Metal-Plate Optics//Proceedings of the IRE, 1950, vol. 38, No. 1, pp. 53 -59.
  28. Egorov E. N., Epshtein A. L., Guskov G. Ya., Levitan B. A., Sbitnev G. V., Shishlov A. V. New Technologies in Multibeam and Scanning Antennas for Communication Systems//Proceedings of APSCC'94 Workshop, 1994, Seoul, Korea, pp. 211 -221.
  29. Технологии радиолокации -к 55-летию ПАО «Радиофизика»//2-е издание под. Редакцией Б.А. Левитана. М. Вече. 2015. -672 с.
  30. Ахияров В.В., Калошин В.А., Никитин Е.А., Исследование широкополосных планарных линз Люнебурга//Журнал радиоэлектроники, 2014, №1. URL: http://jre.cplire.ru/jre/jan14/18/text.pdf
  31. Евстропов Г.А., Антенны с электрическим качанием луча//Антенны, 2009, № 7 (146), с. 30-34.
  32. Шубов А.Г., Денисенко В.В., Майоров А.В., Шалякин А.И., Шишлов А.В. Опыт разработки линз Ротмана для различных частотных диапазонов//«Антенны», 2001, вып. 6 (52), с. 23-28.
  33. Tekkouk K., Ettorre M., Coq L.L., Sauleau R. Multibeam SIW Slotted Waveguide Antenna System Fed by a Compact Dual-Layer Rotman Lens//IEEE Transactions on Antennas and Propagation, 2016, v. 64, No 2, pp. 504 -514.
  34. Калошин В.А., Фролова Е.В., Синтез и анализ зеркально-линзовых диаграммо-образующих систем для планарных многолучевых антенн, Журнал радиоэлектроники, 2015, №12. URL: http://jre.cplire.ru/jre/dec15/19/text.html
  35. Венецкий А.С., Калошин В.А., Нгуен К.Т., Фролова Е.В. Синтез и исследование сверхширокополосной планарной трехзеркальной системы//Журнал радиоэлектроники, 2018, №1, URL: http://jre.cplire.ru/jre/jan18/4/text.pdf, DOI 10.30898/1684-1719-2018-1-5
  36. Калошин В.А., Нгием Х.Д., Фролова Е.В. Синтез и исследование сверхширокополосной планарной волноводной трехфокальной линзо-зеркальной системы с принудительным преломлением//Журнал радиоэлектроники, 2018, №1, URL: http://jre.cplire.ru/jre/jan18/3/text.pdf, DOI 10.30898/1684-1719-2018-1-4
  37. Калошин В.А., Ле Д. Т., Фролова Е.В., Планарная бифокальная волноводно-щелевая решетка//Доклады межд. конф. «Радиоэлектронные устройства и системы для инфо-коммуникационных технологий». Сер. Научные конференции, посвященные Дню радио. Вып.73. М. РСНТОРЭС им. Попова. 2018.
  38. Толкачев А.А., Егоров Е.Н., Шишлов А.В. Некоторые тенденции развития радиолокационных и связных систем//«Радиотехника», 2006, №4, с. 5 -11.
  39. Rohwer A.B., Desrosiers D.H., Bach W., Estavillo H., Makridakis P., Hrusovsky R. Iridium Main Mission Antennas -A Phased Array Success Story and Mission Update//2010 IEEE International Symposium on Phased Array Systems and Technology. pp. 504-511.
  40. Metzen P.L. Globalstar Satellite Phased Array Antennas//2000 IEEE International Symposium on Phased Array Systems and Technology. pp. 207-210.
  41. Hong W., Jiang Z.H., Yu S., Zhou J., Chen P., Yu Z., Yang B., Pang X., Jiang M., Cheng Y., Al-Numaimi M.K.T., Zhang Y., Chen J., He S. Multibeam Antenna Technologies for 5G Wireless Communications//IEEE Transactions on Antennas and Propagations, 2017, vol. 65, No. 12, pp. 6231-62-49.
  42. Егоров Е.Н., Сбитнев Г.В., Чистюхин В. В. Очерки развития техники твердотельных активных фазированных решеток в зеленоградской школе СВЧ микроэлектроники//Радиотехника №4. 2010. с. 6-13.
  43. Herd J.S., Conway M.D. The Evolution to Modern Phased Array Architectures//Proceedings of the IEEE, 2016, Vol. 104, No. 3, pp. 519-529.
  44. Бортовые цифровые антенные решетки и их элементы//Воскресенский Д.И., Овчинникова Е.В., Шмачилин П.А. под ред. Д.И. Воскресенского. М. Радиотехника, 2013.
  45. Бортовые цифровые многолучевые антенные решетки для систем спутниковой связи//Пономарев Л.И., Вечтомов В.А., Милосердов А.С.; под. Ред. Л.И. Пономарева. -Москва,: Издательство МГТУ им. Н.Э. Баумана, 2016, 197 с.
  46. Brookner Eli. Advances and Breakthroughs in Radars and Phased Arrays//2016 IEEE International Symposium on Phased Array Systems and Technology. pp. 1-8.
  47. Fang R. J. F. Broadband IP Transmission over SPACEWAY® Satellite with On-Board Processing and Switching.//Proceedings of IEEE Globecom Conference, 2011, 5 p.
  48. Шишлов А.В., Кривошеев Ю.В., Мельничук В.И. Свойства контурных диаграмм направленности фазированных антенных решеток//«Антенны», 2016, вып № 8 (228), с.44 -58.
  49. Shishlov A.V., Krivosheev Yu.V., Melnichuk V.I. Principal Features of Contour Beam Phased Array Antennas//URL: 2016 IEEE International Symposium on Phased Array Systems and Technology (PAST), pp. 1-8.
  50. Space Antenna Handbook//Editors: Imbriale V.A., Gao S., Boccia L., A John Willey & Sons, 2012.
  51. Виленко И.Л., Кривошеев Ю.В., Шишлов А.В. Гибридные зеркальные антенны с облучающими активными фазированными решетками//«Антенны», вып 10 (173), 2011, с. 22 -42.
  52. Shishlov A.V., Vilenko I.L. Krivosheev Yu.V., Active Array Fed Reflector Antennas. Practical Relations and Efficiency//2012 6th European Conference on Antennas and Propagation (EUCAP), pp. 2362 -2366.
  53. Shishlov A.V., Vilenko I.L., Krivosheev Yu.V., Asymptotic Theory, Design and Efficiency of Array Fed Reflector Antennas//2013 IEEE International Symposium on Phased Array Systems and Technology, pp. 320 -327.
  54. Cooly M. Phased Array Fed Reflector (PAFR) Antenna Architectures for Space Based Sensors//2015 IEEE Aerospace Conference, pp. 1-11.
  55. Rebeiz G.M. Advances in SiGe BiCMOS Technology with Chip-Scale Phased Array Applications//2013 Phased Array Symposium, Tutorial, Boston, pp. 1-90.
  56. Rebeiz G.M. SiGe and CMOS for Advanced Phased Array Communication and Radar Systems//2016 Phased Array Symposium, Tutorial, Boston, pp. 1-107.
  57. Ku B.H., Schmalenberg P., Inac O., Gurbus O.D., Lee J.S., Shiozaki K., Rebeiz G.M. A 77-81-GHz 16-element Phased-Array Receiver With ±50° Beam Scanning for Advanced Automotive Radars//IEEE Transactions on Microwaqve Theory and Technique, 2014, vol. 62, No. 11, pp. 2823-2832.
  58. Ku B.H., Inac O., Chang M., Rebeiz G.M. 75-85 GHz Flip-Chip Phased Array RFIC with Simultaneous 8-Transmit and 8-Receive Paths for Automotive Radar Applications//2013 IEEE Radio Frequency Integrated Circuits Symposium. pp. 371-374.
  59. Zihir S., Gurbus O.D., Kar-Roy A., Raman S., Rebeiz G.M. 60-GHz 64-and 256-Elements Wafer-Scale Phased-Array Transmitters Using Full-Reticle and Subreticle Stitching Techniques//IEEE Transactions on Microwave Theory and Techniques, 2016, Vol. 64, No 12, pp. 4701 -4719.
  60. Anokiwave Introduces 26 GHz 5G mm Wave Reconfigurable 256-Element Active Antenna Array//Microwave Journal, February 1, 2018, URL: http://www.microwavejournal.com/articles/29738
  61. Anokiwave Introduces First 39 GHz Silicon 5G Active Antenna ICs//Microwave Journal, May 16, 2017, URL: http://www.microwavejournal.com/articles/28378
  62. SatixFy UK Introduces Silicon Based ESMA Antenna//Microwave Journal, March 15, 2018, URL: http://www.microwavejournal.com/articles/29983
  63. Solution: A new class of satellite terminal//Isotropic Systems, April 14, 2017, URL: https://www.isotropicsystems.com/solution/