Linear phased antenna array with memristive delay line

Full Text

Введение

Современные телекоммуникационные системы, радарные технологии и системы беспроводной связи сталкиваются с возрастающими требованиями к скорости передачи данных, энергоэффективности и адаптивности. Одним из ключевых компонентов, обеспечивающих выполнение этих задач, являются фазированные антенные решетки (ФАР). Эти устройства позволяют динамически формировать и направлять электромагнитный луч без механического перемещения элементов, что достигается за счет управления фазой и амплитудой сигналов в каждом излучателе решетки [1]. Однако традиционные ФАР, основанные на полупроводниковых фазовращателях или микроэлектромеханических системах (MEMS), имеют ряд ограничений, включая высокое энергопотребление, значительные габариты и сложности масштабирования. В этом контексте поиск инновационных решений для управления фазой сигнала становится критически важным.

В последние годы внимание исследователей привлекли мемристоры — нелинейные элементы памяти, способные изменять свое сопротивление в зависимости от протекавшего через них заряда. Благодаря уникальным свойствам, таким как энергонезависимость, наноразмерные габариты и возможность аналоговой настройки, мемристоры нашли применение в нейроморфных вычислениях, энергоэффективной электронике и системах хранения данных. Их интеграция в ФАР открывает перспективы для создания компактных, перестраиваемых и энергосберегающих антенных систем. Например, мемристоры могут заменить традиционные фазовращатели, обеспечивая управление задержкой сигнала через изменение сопротивления, что упрощает архитектуру решетки и снижает энергозатраты [2].

Принцип работы ФАР

 Фазированная антенная решетка –  антенна, которая формирует и направляет луч за счет точного управления фазой сигнала в каждом из множества излучающих элементов. Это обеспечивает беспрецедентную скорость, гибкость и надежность по сравнению с механически сканирующими антеннами, что делает ФАР ключевой технологией в современных радиолокационных и телекоммуникационных системах.

Принцип работы фазированных антенных решеток (ФАР) основан на управлении фазой сигнала в отдельных излучающих элементах для формирования и электронного управления лучом в пространстве без физического перемещения антенны [3].

Структура ФАР

ФАР состоит из множества отдельных излучающих элементов (вибраторов, щелей, патчей и т.д.), расположенных в определенном порядке (линейно, плоски, концентрически). Каждый элемент подключен к своему фазовращателю (ФВ). Фазовращатели управляются системой управления (контроллером). Ключевой принцип – Сигнал от передатчика разделяется и подается на все излучающие элементы. Фазовращатель под управлением контроллера изменяет фазу сигнала, проходящего через каждый элемент на определенную величину (Δφ). В определенном направлении (θ₀) сигналы от всех элементов складываются синфазно (в фазе), усиливая друг друга. Это и есть направление главного луча антенны. В других направлениях сигналы складываются не синфазно (в противофазе или со случайными фазами), ослабляя или гася друг друга. Направление луча (θ₀) зависит от разности фаз (Δφ) между сигналами соседних элементов. Контроллер рассчитывает и устанавливает необходимый сдвиг фаз для каждого элемента, чтобы максимум излучения (луч) был направлен в нужную точку пространства (θ₀). Чтобы переместить луч в другое направление (θ₁), система управления мгновенно пересчитывает и устанавливает новые значения фазовых сдвигов для всех элементов. Физическое движение антенны при этом не требуется. Управляя не только фазой, но и амплитудой сигнала в каждом элементе (с помощью аттенюаторов), можно дополнительно формировать:

• Ширину луча – усиление сигналов по краям решетки сужает луч.
• Уровень боковых лепестков – ослабление сигналов по краям решетки снижает нежелательные боковые лепестки диаграммы направлености.
• Форму луча – создавать лучи специальной формы (например, cosec² для обзора поверхности).

Принцип работает и в обратную сторону (прием). Сигналы, приходящие с определенного направления (θ₀), будут суммироваться на выходе решетки с максимальной амплитудой, если фазовращатели настроены на соответствующую разность фаз для этого направления. Это позволяет электронно «наводить» антенну на источник сигнала [4].

 Преимущества ФАР

• Очень высокая скорость сканирования – луч перемещается со скоростью электронных переключений (микросекунды).
• Отсутствие механических частей – повышает надежность, снижает инерционность, позволяет создавать очень большие антенны.
• Гибкость управления лучом.
• Быстрое переключение луча между целями.
• Одновременное сопровождение многих целей несколькими независимыми лучами (МФАР - Многофункциональные ФАР).
• Быстрое изменение формы луча (сканирующий луч, луч сопровождения, луч связи).
• Адаптивное подавление помех.
• Высокая надежность – выход из строя части элементов не приводит к полному отказу антенны, только к некоторой деградации характеристик.
• Потенциально высокая мощность – суммарная мощность передатчика распределяется по многим элементам.

Недостатки ФАР

 Высокая сложность и стоимость – множество элементов, фазовращателей, сложная система управления и питания.

• Ограниченный угол сканирования – как правило, до ±60° от нормали к плоскости решетки (из-за роста уровня боковых лепестков и уменьшения эффективной площади антенны).
• Вычислительная сложность – требуется мощный процессор для расчета фазовых распределений в реальном времени.
• Потери в фазовращателях снижают общий КПД антенны.

Применение ФАР

Радиолокация: радиолокационные станции (РЛС) противовоздушной обороны (ПВО)  (С-300, С-400, Patriot, Aegis), бортовые РЛС истребителей (AN/APG-77/81 на F-22/F-35), метеорологические РЛС, РЛС космического базирования.

Связь: Спутниковая связь (наземные станции, спутники), системы 5G/6G (базовые станции Massive MIMO), тропосферная связь.

Радиоастрономия: Крупные радиотелескопы (например, ALMA).

Электронная борьба (РЭБ): Системы постановки помех.

 Свойства мемристоров

 Ключевые свойства мемристоров (резистивных элементов памяти) вытекают из их фундаментального принципа работы — изменения электрического сопротивления (R) под действием протекшего через них заряда (q) и способности «запоминать» это состояние при отключении питания [5, 6]. Вот основные свойства:

• Гистерезис вольтамперной характеристики (ВАХ) – это главная отличительная черта. Ток через мемристор зависит не только от текущего напряжения, но и от предыстории (величины и направления протекшего заряда). ВАХ имеет характерную «петлю гистерезиса». При изменении напряжения сопротивление меняется нелинейно и зависит от предыдущего состояния.
• Резистивная память (Memory Resistance) – мемристор может находиться в двух или более стабильных резистивных состояниях (например, высокоомное состояние HRS и низкоомное состояние LRS). Переключение между состояниями происходит при приложении напряжения определенной величины и полярности («запись»). Состояние сохраняется при снятии напряжения («неразрушающее считывание» и энергонезависимость).
• Энергонезависимость – записанное резистивное состояние (HRS или LRS) сохраняется после отключения питания. Это делает мемристоры перспективными для энергонезависимой памяти (ReRAM).
• Аналоговое поведение (плавное переключение) – в отличие от транзисторов в цифровых схемах (вкл/выкл), сопротивление мемристора можно изменять плавно и непрерывно с помощью приложенных импульсов напряжения/тока. Это позволяет реализовать множество промежуточных резистивных состояний (мультиуровневая ячейка памяти).
• Структуры мемристоров (например, металл-диэлектрик-металл) могут быть изготовлены с очень малыми размерами (единицы нанометров).
• Энергоэффективность – переключение между состояниями требует очень малой энергии (порядка фемтоджоулей на бит или даже меньше). Считывание состояния также может быть малопотребляющим.
• Высокая скорость переключения – мемристоры способны переключаться между состояниями очень быстро (наносекунды и даже пикосекунды).
• Совместимость с комплементарной структурой металл — оксид — полупроводник – технологии изготовления мемристоров часто совместимы со стандартными процессами производства КМОП-интегральных схем, что упрощает их интеграцию в существующие электронные системы.

Исследование и моделирование антенны

После долгих математических расчетов была представлена следующая структура ФАР (табл. 1, рис. 1-2).

Таблица 1. Состав и структура ФАР

Антенна	Материал	Размеры
Патч	Медь	30х30мм
Подложка	Воздух	180х180мм
Заземление	Нержавеющая сталь	180х180мм
Стойки/опоры (цилиндр/конус)	Медь	1.5х5.8мм 1.5(0.5)х5.8 мм
Мемристор (Нижний электрод/основная часть/верхний электрод)	Платина Оксид Гафния (II) Нитрид Титана	0.5х0.0001мм 0.5х0.00003мм 0.5х0.00005мм

Исходя из этих параметров, рабочий диапазон антенны составляет примерно от 2.3 ГГц до 2.5 ГГц, однако основные этапы моделирования будут проводиться для частоты 2.4 ГГц, а именно, изменение диаграммы направленности данной антенны путём изменения тока, поступающего на мемристор.

 

а)

б)

Рис. 1. Внешний вид антенны

Рис. 2. Структура используемого мемристора

 

Было проведено три моделирования с разными токами: 100 мкА, 250 мкА, 50 мкА, по ним построены графики диаграммы направленности в 3D- и 2D- представлениях (рис. 3-4).

 

а)

 

б)

 

в)

Рис. 3. Графики измерения в дальней зоне для антенны при: а) 100 мкА; б) 250 мкА; в)50 мкА

 

а)

б)

в)

Рис. 4. Графики трёхмерного измерения в дальней зоне для антенны при: а) 100 мкА; б) 250 мкА; в)50 мкА

Заключение

Фазированные антенные решетки (ФАР) являются ключевой технологией для современных систем связи (5G/6G), радаров и радиоастрономии. Их основное преимущество — электронное управление лучом без механического перемещения антенны. Традиционные ФАР используют активные фазовращатели (на основе PIN-диодов, FET-транзисторов или жидких кристаллов), которые могут быть сложными, дорогими и потреблять значительную мощность. Предложение использовать мемристивные линии задержки (МЛЗ) в составе четырехэлементной патч-антенной решетки представляет собой инновационный подход к управлению лучом, обладающий уникальными потенциальными преимуществами [7, 8].

Анализ ключевых компонентов:

1. Четырехэлементная патч-антенная решетка:

Преимущества – микрополосковые патч-антенны компактны, легки, имеют низкий профиль, просты в изготовлении и интеграции на печатных платах, совместимы с планарными технологиями. Четыре элемента — это минимальная конфигурация для двумерного сканирования (по азимуту и углу места), обеспечивающая разумный компромисс между сложностью, размером, коэффициентом усиления и управляемостью.

Ограничения – относительно узкая полоса пропускания (характерная для патч-антенн), умеренный коэффициент усиления по сравнению с решетками большего размера. Требует тщательного проектирования геометрии (расстояния между элементами) для минимизации взаимного влияния и подавления побочных лепестков.

2. Мемристивная линия задержки (МЛЗ):

Принцип работы – МЛЗ использует уникальное свойство мемристоров — их способность изменять свое сопротивление (R) под действием приложенного напряжения и «запоминать» последнее состояние даже после снятия напряжения. Изменяя состояние мемристора (High Resistance State - HRS / Low Resistance State - LRS), можно динамически управлять фазовой задержкой сигнала, проходящего через линию.

Реализация в ФАР – МЛЗ интегрируется в линию питания каждого излучающего элемента патч-антенны (или в схему корпоративного/пространственного питания). Прикладывая управляющие импульсы напряжения к мемристорам в линии, можно дискретно или аналогово (в зависимости от типа мемристора и управления) изменять фазовый сдвиг сигнала, подаваемого на каждый антенный элемент.

Ключевые особенности мемристоров для ФАР:

Энергонезависимость –  состояние (сопротивление) сохраняется после снятия управляющего напряжения. Энергия тратится только на переключение состояния, а не на его поддержание. Это кардинальное отличие от PIN-диодов/FET, требующих постоянного тока смещения.

Простота управления – переключение требует коротких импульсов напряжения.

Потенциал высокой интеграции –мемристоры совместимы с КМОП-технологиями и могут быть изготовлены в наномасштабе.

Аналоговое поведение (у некоторых типов) – позволяет плавное изменение сопротивления и, следовательно, фазового сдвига.

ФАР с мемристорной линией задержки демонстрирует революционный потенциал в антенной технике, сочетая наносекундную динамику, сверхнизкое энергопотребление. Технология готова к внедрению в системы 5G+/6G, радары с электронным сканированием и компактные спутниковые терминалы.

_______________________________

© Шершов Д.А., Сафонов И.А., Фёдоров С.М., Силонов А.А., 2025

About the authors

Daniil A. Shershov

Voronezh State Technical University

Author for correspondence.
Email: shershovdaniil@yandex.ru

student

Russian Federation, 84 20-letiya Oktyabrya str., Voronezh 394006, Russia

Ivan A. Safonov

Voronezh State Technical University

Email: saff@inbox.ru

Cand. Sc. (Technical), Associate Professor

Russian Federation, 84 20-letiya Oktyabrya str., Voronezh 394006, Russia

Sergey M. Fedorov

Voronezh State Technical University; International Institute of Computer Technologies

Email: fedorov_sm@mail.ru
ORCID iD: 0000-0001-9027-6163

Cand. Sc. (Technical), Associate Professor

Russian Federation, 84 20-letiya Oktyabrya str., Voronezh 394006, Russia; 29b Solnechnaya str., Voronezh 394026, Russia

Aleksey A. Silonov

Voronezh State Technical University

Email: silonovalexey@yandex.ru

Assistant Professor

Russian Federation, 84 20-letiya Oktyabrya str., Voronezh 394006, Russia

References

Supplementary files