УСТРОЙСТВО ДЛЯ ИЗМЕНЕНИЯ ПОЛЯРИЗАЦИИ СИГНАЛА (ВАРИАНТЫ)

ОБЛАСТЬ ТЕХНИКИ, К КОТОРОЙ ОТНОСИТСЯ ПОЛЕЗНАЯ МОДЕЛЬ
Полезная модель относится к радиотехнике и может быть использована на базовых станциях (БС) сети сотовой радиосвязи для изменения поляризации сигнала, а именно возможности изменения поляризации излучаемого сигнала на линейную вертикальную, линейную горизонтальную или круговую поляризацию правого или левого вращения, при использовании штатных антенн базовых станций с кросс-поляризацией, то есть двойной +45° и -45° наклонной поляризацией.
УРОВЕНЬ ТЕХНИКИ
В настоящее время, на базовых станциях сотовой радиосвязи для обеспечения разнесенного приема широко используются антенны с кросс-поляризацией, то есть двойной +45° и -45° наклонной поляризацией.
Антенны с кросс-поляризацией представляют собой, в отличие от антенн с вертикальной поляризацией со строго вертикальным расположением излучателей, совокупность излучателей, симметрично расположенных вдоль вертикальной оси антенны и наклоненных к ней под углом +45° и -45°. Симметричное расположение систем излучателей относительно оси антенны гарантирует симметричность и идентичность ДН в горизонтальной плоскости. Очень важно, что вектора электрического поля, излучаемого ДН антенн с двойной +45° и -45° наклонной поляризацией, ортогональны друг другу, а требуемая поляризационная развязка между двумя антеннами и коэффициент кросс-поляризации сохраняются в заданном секторе азимутальных углов и обеспечивают условия для эффективного разнесенного приема.
В области антенной техники известны устройства [1, 2], представляющие собой систему наклоненных относительно вертикальной оси Ζ прямоугольной системы координат XΥΖ на углы +45° и -45° излучателей, которые могут быть использованы для создания двухканальных слабонаправленных антенн, используемых в качестве элементов линейной фазированной антенной решетки, то есть типовой двухканальной секторной антенны базовой станции сети сотовой радиосвязи с такой же поляризационной характеристикой. При этом обеспечивается формирование диаграммы направленности двухканальной антенны с взаимно ортогональной поляризацией поля излучения (+45° и -45°) в каналах и перекрытие по уровню 3 дБ в горизонтальной плоскости сектора формирования диаграммы направленности шириной около 90° и около 65° соответственно для устройств, описанных в [1] и [2]. Сущность изобретения, описанного в [1]: антенна состоит из двух крестообразно расположенных симметричных вибраторов, размещенных над металлическим экраном, установленных параллельно плоскому экрану на высоте не более половины заданной длины волны рабочего диапазона частот от него в виде плоского крестообразного проводника, состоящего из четырех одинаковых и расположенных ортогонально друг к другу четвертьволновых плеч. Техническим результатом является обеспечение формирования диаграммы направленности двухканальной антенны с взаимно ортогональной поляризацией поля излучения в каналах, перекрывающей по уровню 3 дБ сектор шириной в горизонтальной плоскости около 90°. Изобретение, описанное в [2] отличается главным образом от изобретения, описанного в [1] тем, что вместо двух крестообразно расположенных симметричных вибраторов используется ромбовидное расположение вибраторов, что приводит к расширению апертуры и как следствие к сужению диаграммы направленности антенны в горизонтальной плоскости до ширины около 65° по уровню 3 дБ. Применение антенн таких типов приводит к тому, что вектор поляризации излучаемого антенной сигнала, имеет наклон +45° или -45°.
В случае, когда частотный диапазон выделяется для функционирования РЭС сети сотовой радиосвязи на вторичной основе, БС сети могут создавать непреднамеренные радиопомехи недопустимого уровня радиоэлектронным средствам, работающим в данном диапазоне частот на первичной основе. Так, например, БС стандарта GSM, IMT-2000/UMTS, LTE и др., функционирующие в диапазонах 800 и 900 МГц могут создавать непреднамеренные помехи недопустимого уровня РЭС воздушной радионавигации и посадки, использующим антенны с горизонтальной поляризацией. При этом поляризационная развязка между сигналом излучаемым секторов БС, укомплектованными штатными антеннами с кросс поляризацией и приемной антенной РЭС воздушной радионавигации и посадки составляет около 3 дБ. Это приводит либо к ограничению максимально допустимой мощности передатчиков таких БС, либо для достижения максимальной поляризационной развязки вынуждает операторов сетей сотовой радиосвязи применять усложненные антенные системы с линейной вертикальной поляризацией излучаемого сигнала и пространственным разнесением приемных антенн.
Описанные выше проблемы электромагнитной совместимости, касающиеся также и других диапазонов частот, в которых функционируют РЭС сотовой связи, могут возникнуть также применительно к РЭС рецептора помех, имеющих не только горизонтальную, но также вертикальную и круговую поляризацию как правого так и левого вращения.
Также в случае применения антенн с кросс поляризацией существует проблема, связанная с излучением сигнала передатчика БС с линейной поляризацией, а именно проявляющейся в том, что установленная на абонентском терминале ненаправленная линейно поляризованная антенна имеет ослабление принимаемого сигнала БС за счет поляризационной развязки, которое статистически составляет более 5 дБ для 38% возможных положений абонентского терминала, более 10 дБ для 21% и более 15 дБ для 12%. Данная проблема может быть решена за счет использования на БС сотовой радиосвязи круговой поляризации на передачу и сохранения двойной ортогональной поляризации на прием.
Наиболее близким для заявленного технического решения является устройство для формирования поляризации радиосигналов приемопередатчиков [3].
К недостаткам такого устройства в первую очередь относится ограничение полосы рабочих частот устройства, в которой обеспечивается необходимая фазировка деления сигнала передатчика БС. Данные ограничения связаны с использованием фазовращателя, через который одно из плеч антенны с кросс поляризацией соединено с гибридным мостом. Современные антенны базовых станций в подавляющем большинстве случаев обеспечивают возможность совмещение близких по частотному диапазону стандартов на одни и те же радиочастотные разъемы. Так, например стандартной ситуацией является объединение диапазонов 791-862 МГц и 880-960 МГц на одни и тех же радиочастотные разъемы. Аналогично в различных комбинациях объединяются диапазоны 1710-1880, 1920-2170, 2200-2490 и 2490-2690 МГц. Учитывая данную тенденцию, при которой коэффициент перекрытия частот передатчиков сектора БС может доходить до значения 1.21 для диапазона частот 791-960 МГц и до значения 1.49 для диапазона частот 1710-2690 МГц. При таких диапазонах перекрытия использование устройства формирования поляризации приемопередатчиков описанного в [3] будет существенно нарушена фазировка тракта деления сигнала передатчика БС. Так, например, для коэффициента перекрытия 1,21 при использовании гибридного моста квадратурного типа формирование вертикальной поляризации потребует установки фазового сдвига в фазовращателе, равного 90°, что при его настройке на среднюю частоту диапазона даст дисбаланс фаз тракта деления сигнала передатчика БС величиной до 9°, что значительно снизит эффективность изменения поляризации для решения задач ЭМС с РЭС специального назначения, имеющими горизонтальную поляризацию.
В области СВЧ техники известно устройство [4, 5], представляющее собой фазосдвигающий четырехполюсник (фазовращатель) Шиффмана на связанных линиях с длиной области связи L. В фазосдвигающем четырехполюснике две связанные линии параллельны между собой и соединены друг с другом с одной стороны, а несоединенные концы линий с другой стороны служат входом и выходом устройства. При этом волновое сопротивление и фаза выходного сигнала φ определяются через сопротивления при четном  и нечетном  видах возбуждения:
Где θ=βl - электрическая длина радиочастотной линии передачи с длиной l и фазовой постоянной β.
Замечательным свойством фазовращателя Шиффмана является постоянство относительного фазового сдвига Δφ=90° в широкой полосе частот относительно отрезка однородной линии передачи длиной 3L, представляющего собой линию задержки в виде радиочастотной линии передачи с фиксированной электрической длиной. Так для  относительный фазовый сдвиг составляет 90°±2.5° при коэффициенте перекрытия частот 1.95.
Точная настройка фазового сдвига может быть осуществлена выбором оптимальных параметров фазовращателя Шиффмана на связанных радиочастотных линиях передачи и линии задержки в виде радиочастотной линии передачи с фиксированной электрической длиной.
Фазовращатель Шиффмана на связанных радиочастотных линиях передачи в сочетании с линией задержки в виде радиочастотной линии передачи с фиксированной электрической длиной может быть использован для компенсации дисбаланса фаз тракта деления сигнала передатчика БС, что значительно повысит эффективность изменения поляризации для решения задач ЭМС с РЭС специального назначения и обеспечит функциональность устройства в широкой полосе частот.
Следует отметить, что в настоящее время на базовых станциях сотовой радиосвязи наиболее часто используется приемо-передающее оборудование, в том числе устанавливаемые в непосредственной близости от антенн БС внешние приемопередающие радиомодули, в котором сигнал передатчика подается только на одно из плеч антенны с кросс поляризацией, а сигнал приемника снимается также с обоих плеч. То есть в данной конфигурации приемопередающим является только один из входов радиоблока сектора базовой станции, а второй является только приемным.
Однако, учитывая реальные условия размещения антенн базовых станций, существует вероятность перепутывания приемопередающего и приемного фидеров при установке устройства изменения поляризации сигнала в антенно-фидерный тракт базовой станции. В этом случае вместо вертикальной поляризации, устанавливаемой на излучение для решения проблем ЭМС с РЭС специального назначения, имеющими горизонтальную поляризацию, излучаемый антенной сектора БС сигнал будет иметь горизонтальную поляризацию, что категорически недопустимо.
Для решения данной проблемы в [3] предлагается вариант с установкой на вход гибридного моста, подключаемого к приемному фидеру БС фильтра, пропускающего сигналы на частоте приема и блокирующих сигналы на частоте передачи. Недостатком данной схемы является то, что при описанном перепутывании приемопередающего и приемного фидеров наличие данного фильтра приведет к работе передатчика БС на несогласованную нагрузку, что является аварийным режимом и потенциально может привести к выходу оборудования из строя.
Техническим результатом, на достижение которого направлена предлагаемая полезная модель является расширение рабочего диапазона радиочастот устройства изменения поляризации, повышение его функциональных и технико-эксплуатационных характеристик, повышение надежности и обеспечение защищенности от ошибочного включения устройства в тракт сектора БС. А именно создание устройства, которое позволяет при использовании применяемых на базовых станциях сети радиосвязи штатных антенн, в том числе и многодиапазонных, с кросс-поляризацией, то есть двойной +45° и -45° наклонной поляризацией изменить поляризацию излучаемого сигнала на линейную вертикальную поляризацию, либо линейную горизонтальную поляризацию, либо круговую поляризацию правого или левого вращения и сохранить двойную ортогональную поляризацию на прием.
РАСКРЫТИЕ ПОЛЕЗНОЙ МОДЕЛИ
В основу настоящей полезной модели поставлена задача создания устройства для изменения поляризации сигнала, которое с одной стороны было бы адаптировано к современным тенденциям использования антенн базовых станций, обеспечивающих возможность совмещение близких по частотному диапазону стандартов на одни и те же радиочастотные разъемы, а с другой стороны обеспечивающего защиту от ошибочного подключения приемопередающего и приемного фидеров. Устройства, подключаемого непосредственно к антенне базовой станции посредством фазированных радиочастотных соединительных кабелей, которое было бы эргономичным, не сложным в эксплуатации, экономичным.
Технический результат достигается тем, что предложено устройство для изменения поляризации излучаемого сигнала, подключаемое непосредственно к антенне базовой станции фазированными радиочастотными соединительными кабелями, отличающееся тем, что содержит гибридный мост, линию задержки в виде радиочастотной линии передачи с фиксированной электрической длиной, фазовращатель Шиффмана на связанных радиочастотных линиях передачи, согласованную нагрузку и Y-циркулятор, в котором минимальное ослабление радиочастотного сигнала соответствует направлению от первого входа ко второму, от второго к третьему и от третьего к первому, а максимальное вносимое затухание соответствует обратному направлению. При этом указанные компоненты скоммутированы между собой таким образом, что входом устройства для изменения поляризации сигнала, подключаемым к приемопередающему фидеру сектора базовой станции является первый вход гибридного моста, второй выход которого подключен через линию задержки в виде радиочастотной линии передачи с фиксированной электрической длиной к одному из входов антенны с кросс поляризацией, то есть двойной +45° и -45° наклонной поляризацией, а третий выход гибридного моста подключен через фазовращатель Шиффмана на связанных радиочастотных линиях передачи ко второму входу антенны с кросс поляризацией, то есть двойной +45° и -45° наклонной поляризацией, при этом четвертый вход гибридного моста подключен к третьему входу Y-циркулятора, первый вход которого подключен к приемному фидеру сектора базовой станции, а второй выход Y-циркулятора подключен к согласованной нагрузке.
Возможны дополнительные варианты выполнения устройства для изменения поляризации сигналов, в которых:
- возможно применение ферритового изолятора/вентиля вместо Y-циркулятора с согласованной нагрузкой;
- возможно применение диплексера вместо Y-циркулятора;
- возможно применение внешней согласованной нагрузки, подключаемой через радиочастотный разъем;
- возможно применение компонентов устройства, а именно гибридного моста, Y-циркулятора и фазовращателя Шиффмана с расширенной рабочей полосой частот для реализации устройства, применимого для нескольких частотных диапазонов одновременно.
На Фиг. 1 представлена функциональная схема устройства для изменения поляризации сигнала.
На Фиг. 2 представлена схема включения устройства для изменения поляризации сигнала в радиочастотный тракт базовой станции сотовой радиосвязи.
На Фиг. 3 представлены фазочастотные характеристики фазовращателя Шиффмана на связанных радиочастотных линиях передачи с длиной области связи L для значения  и отрезка однородной линии передачи длиной 3L, представляющей собой линию задержки в виде радиочастотной линии передачи с фиксированной электрической длиной.
Предлагаемое устройство для изменения поляризации сигнала 16 подключается фидерами 17 и 18 к приемопередающему 19 и приемному 20 входам приемопередающего радио блока сектора базовой станции 21 через выходы 3 и 4 соответственно (фиг. 2), и фазированными радиочастотными соединительными кабелями 14 и 15 к ортогональным входам антенны с двойной +45° и -45° наклонной поляризацией 11 через входы 1 и 2.
Предлагаемое устройство для изменения поляризации сигнала (фиг. 1) включает в себя: гибридный мост 10, линию задержки 8 в виде радиочастотной линии передачи с фиксированной электрической длиной, фазовращатель Шиффмана 9 на связанных радиочастотных линиях передачи 7, согласованную нагрузку 5 и Y-циркулятор 6, в котором минимальное ослабление радиочастотного сигнала соответствует направлению от первого входа (A1) ко второму (A2), от второго (A2) к третьему (A3) и от третьего (A3) к первому (A1), а максимальное вносимое затухание соответствует обратному направлению. Указанные компоненты соединены между собой таким образом, что входом 3 устройства для изменения поляризации сигнала 16, подключаемым к приемопередающему входу 19 радиоблока сектора базовой станции 21 является первый вход (B1) гибридного моста 10, второй выход (B2) которого подключен через линию задержки 8 в виде радиочастотной линии передачи с фиксированной электрической длиной к выходу 1, а третий выход (B3) гибридного моста 10 подключен через фазовращатель Шиффмана 9 на связанных радиочастотных линиях передачи 7 к выходу 2. Четвертый вход (B4) гибридного моста 10 подключен к третьему входу A3 Y-циркулятора 6, первый вход A1 которого подключен к приемному входу 20 радио блока сектора базовой станции 21, а второй выход A2 Y-циркулятора 6 подключен к согласованной нагрузке 5.
КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ
На Фигуре 1 представлена функциональная схема устройства для изменения поляризации сигнала.
На Фигуре 2 представлена схема включения устройства для изменения поляризации сигнала в радиочастотный тракт базовой станции сотовой радиосвязи.
На Фигуре 3 представлены фазочастотные характеристики фазовращателя Шиффмана на связанных радиочастотных линиях передачи с длиной области связи L для значения  и отрезка однородной линии передачи длиной 3L, представляющей собой линию задержки в виде радиочастотной линии передачи с фиксированной электрической длиной.
ОСУЩЕСТВЛЕНИЕ ПОЛЕЗНОЙ МОДЕЛИ
Устройство для изменения поляризации сигнала на базе штатной антенной системы базовой станции с кросс поляризацией, представленное на Фиг. 1, подключается к приемопередающему выходу 19 через вход 3 фидером 17, к приемному входу 20 через вход 4 фидером 18, и фазированными радиочастотными соединительными кабелями 14 и 15 к штатной антенне базовой станции 11 с двойной +45° и -45° наклонной поляризацией через выходы 1 и 2, и включает в себя: гибридный мост 10, линию задержки 8 в виде радиочастотной линии передачи с фиксированной электрической длиной, фазовращатель Шиффмана 9 на связанных радиочастотных линиях передачи 7, согласованную нагрузку 5 и Y-циркулятор 6, в котором минимальное ослабление радиочастотного сигнала соответствует направлению от первого входа (A1) ко второму (A2), от второго (A2) к третьему (A3) и от третьего (A3) к первому (A1), а максимальное вносимое затухание соответствует обратному направлению. Указанные компоненты соединены между собой таким образом, что входом 3 устройства для изменения поляризации сигнала 16, подключаемым к приемопередающему входу 19 радиоблока сектора базовой станции 21 является первый вход (B1) гибридного моста 10, второй выход (B2) которого подключен через линию задержки 8 в виде радиочастотной линии передачи с фиксированной электрической длиной к выходу 1, а третий выход (B3) гибридного моста 10 подключен через фазовращатель Шиффмана 9 на связанных радиочастотных линиях передачи 7 к выходу 2. Четвертый вход (B4) гибридного моста 10 подключен к третьему входу A3 Y-циркулятора 6, первый вход A1 которого подключен к приемному входу 20 радио блока сектора базовой станции 21, а второй выход A2 Y-циркулятора 6 подключен к согласованной нагрузке 5.
Сигнал передатчика базовой станции, поступающий с приемопередающего выхода 19 приемопередающего радио блока сектора базовой станции 21 по фидеру 17 на вход 3, поступает на вход В1 гибридного моста 10, где делится на две равноамплитудные доли, поступающие с выходов B2 и B3 на выходы 1 и 2 устройства изменения поляризации сигнала, подключаемые к ортогональным входам антенны с двойной +45° и -45° наклонной поляризацией 11, причем сигнал с выхода B2 поступает через линию задержки 8 в виде радиочастотной линии передачи с фиксированной электрической длиной, а с выхода ВЗ поступает через фазовращатель Шиффмана 9 на связанных радиочастотных линиях передачи 7. Выбор величины фазового сдвига, осуществляемый изменением параметров элементов 8 и 9 определяет поляризацию излучаемого сигнала. Так при равноамплитудном синфазном возбуждении ортогональных вибраторов 12 и 13 антенны с кросс поляризацией 11, то есть двойной +45° и -45° наклонной поляризацией, излучаемый сигнал будет иметь суммарный вертикальный вектор поляризации, при установке с помощью элементов 8 и 9 разности фаз равной +180° суммарный излучаемый сигнал будет иметь горизонтальную поляризацию, а при установке с помощью элементов 8 и 9 разности фаз равной -90° и +90° суммарный излучаемый сигнал будет иметь левую круговую и правую круговую поляризацию.
При этом если при возможном перепутывании сигнал передатчика сектора базовой станции будет подан вместо входа 3 на вход 4, он будет рассеян в виде тепла в согласованной нагрузке 5, проходя в которую через Y-циркулятор 6 от входа A1 на выход A2. Таким образом, исключается попадание сигнала передатчика на вход B4 гибридного моста 10, которое бы привело к излучению поляризации ортогональной устанавливаемой при правильном включении устройства изменения поляризации сигнала в тракт БС, т.е., например, к излучению вместо вертикальной - горизонтальной поляризации.
Принимаемые антенными элементами 12 и 13 сигналы, поступают на входы 1 и 2 устройства изменения поляризации, откуда проходят через линию задержки 8 в виде радиочастотной линии передачи с фиксированной электрической длиной и фазовращатель Шиффмана 9 на связанных радиочастотных линиях передачи 7 поступают на входы B2 и B3 гибридного моста 10. После деления и векторного суммирования в гибридном мосте 10, сигналы поступают на выходы B1 и B4 гибридного моста 10. При этом если для сигнала передатчика, подаваемого на вход 3 устройства изменения поляризации была установлена вертикальная поляризация излучаемого сигнала, то в соответствии с принципом взаимности, применимым к гибридному мосту вертикально-поляризованная компонента принимаемого антенной 11 сигнала поступит на выход 3, а горизонтально-поляризованная компонента поступит через Y-циркулятор 6 на выход 4.
Таким образом, достигнут желаемый технический результат, то есть предложено устройство, позволяющее изменить поляризацию излучаемого сигнала на базе штатной антенны базовой станции с кросс поляризацией, то есть двойной +45° и -45° наклонной поляризацией, а также сохранить двойную ортогональную поляризацию на прием и обеспечить эффективность поляризационного разнесенного приема.
При этом за счет применения в предлагаемом устройстве фазовращателя Шиффмана 9 на связанных радиочастотных линиях передачи 7 и линии задержки 8 в виде радиочастотной линии передачи с фиксированной электрической длиной может быть осуществлена широкополосная фазировка деления сигнала на уровне менее 1.0° при коэффициенте перекрытия частот передатчиков ~1.6, а на уровне менее 2.5° при коэффициенте перекрытия частот передатчиков ~1.95 (фиг. 3).
Как показали испытания макета заявленного устройства, дисбаланс фаз тракта деления сигнала передатчика составил менее 0.6° при коэффициенте перекрытия рабочих частот более 1.38, а потери сигнала передатчика составили менее 0.25 дБ. Суммарные потери оценивались как отношение суммы мощностей радиосигналов на входах кросс поляризованной антенны к мощности передатчика, подаваемой с приемопередающего выхода базовой станции. Потери сигнала приемника в макете заявленного устройства составили менее 0.25 дБ до входа 3 и менее 0.4 дБ до входа 4. При этом простота конструкции позволяет повысить надежность при обеспечении защищенности от ошибочного включения устройства в тракт сектора БС даже при случайном перепутывании приемопередающего и приемного фидеров.
Использование для разделения приемного и передающего сигналов базовой станции Y-циркулятора, электрические параметры которого сохраняются во всей рабочей полосе частот, обеспечивает функциональность предлагаемого устройства для изменения поляризации сигнала даже для стандартов связи с единой полосой частот для приемника и передатчика, то есть с временным дуплексом.
ПРОМЫШЛЕННАЯ ПРИМЕНИМОСТЬ
Полезная модель относится к радиотехнике и может быть использована на базовых станциях сотовой радиосвязи. Например, на БС стандартов GSM, IMT-2000/UMTS, LTE и др. для возможности получения максимальной поляризационной развязки и обеспечения условий ЭМС, либо для улучшения качества связи, при использовании штатных, в том числе и многодиапазонных антенн базовых станций с кросс поляризацией, то есть двойной +45° и -45° наклонной поляризацией, предлагаемое устройство позволяет получить на передачу либо линейную вертикальную поляризацию, либо линейную горизонтальную поляризацию, либо круговую поляризацию правого или левого вращения, и сохранить двойную ортогональную поляризацию принимаемого сигнала. Устройство является эргономичным, промышленно применимым, удобным в эксплуатации, не требует значительных материальных затрат, и может быть использовано многократно.
ИСТОЧНИКИ ИНФОРМАЦИИ
1. (PCT/EP98/03129) ANTENNA SYSTEM, Публ. 30.05.97.
2. (WO/2002/050945) ANTENNA, IN PARTICULAR MOBILE RADIO ANTENNA, Публ. 27.06.2002.
3. (RU 116699 U1) УСТРОЙСТВО ДЛЯ ФОРМИРОВАНИЯ ПОЛЯРИЗАЦИИ РАДИОСИГНАЛОВ ПРИЕМОПЕРЕДАТЧИКОВ (ВАРИАНТЫ), Публ. 27.05.2012.
4. Малорацкий Л.Г. Микроминиатюризация элементов и устройств СВЧ. М., «Сов. радио», 1976.
5. Schiffman B.M. A New Class of Broad-Band Microwave 90-Degree Phase Shifters. Microwave Theory and Techniques, IRE Transactions, Volume: 6, Issue: 2, 1958.