СТАНЦИЯ РАДИОРЕЛЕЙНОЙ СВЯЗИ С МНОГОКАНАЛЬНЫМ РАДИОЧАСТОТНЫМ МОДУЛЕМ И НЕПРЕРЫВНЫМ СКАНИРОВАНИЕМ ЛУЧА И СПОСОБ ЭЛЕКТРОННОГО СКАНИРОВАНИЯ
STATION OF RADIO RELAY COMMUNICATION WITH MULTICHANNEL RADIO FREQUENCY MODULE AND CONTINUOUS SCANNING OF BEAM AND ELECTRIC SCANNING METHOD

ОБЛАСТЬ ТЕХНИКИ
Настоящее изобретение относится к области радиосвязи, более конкретно, к станциям радиорелейной связи с электронным сканированием луча миллиметрового диапазона длин волн, предназначенным для создания высокоскоростных систем беспроводной связи типа «точка-точка» и «точка-многоточка».
УРОВЕНЬ ТЕХНИКИ
В результате бурного развития систем и средств связи миллиметровый диапазон длин волн, намного превышающий по занимаемой полосе частот все то, что использовалось до сих пор, стал за последнее десятилетие крайне перспективным для создания различных систем радиосвязи. Возможность расширения полосы передаваемых сигналов до нескольких ГГц и, следовательно, увеличения скорости передачи информации до нескольких Гбит/с является неоспоримым преимуществом использования миллиметровых волн. Так, например, во многих странах мира доступен свободный от лицензирования диапазон частот 57-66 ГГц, который используется в современных стандартах локальных систем радиосвязи IEEE 802.11ad и WiGig. Еще большую популярность, особенно для связи на большие расстояния, получил диапазон 71-76/81-86 ГГц, чаще используемый для средств радиорелейной связи типа «точка-точка» и «точка-многоточка».
С точки зрения распространения радиоволн известно, что уровень принимаемой мощности сигнала миллиметрового диапазона длин волн будет значительно меньшим по сравнению с сигналами используемых сегодня диапазонов частот (при одинаковых расстояниях и коэффициентах усиления антенн). Так, например, на частоте 60-90 ГГц уровень принимаемой мощности на 20 дБ меньше, чем для традиционных частотных диапазонов 2.4 и 5 ГГц. Поэтому, системы связи миллиметрового диапазона используют антенны с высоким коэффициентом усиления и узкой диаграммой направленности с шириной главного лепестка около 1-5є.
Узкий луч антенны на практике приводит к двум неприятным последствиям: сложности точной настройки при установке оборудования и критичности к колебаниям несущих конструкций при эксплуатации. Понятно, что оба фактора приводят к увеличению операционных расходов на обслуживание оборудования и выезд на объекты для дополнительной юстировки. Решение проблем заключается в разработке и внедрении радиорелейных систем с электронным сканированием луча.
Понимание всех описанных требований к антеннам миллиметрового диапазона длин волн вызвало интерес ученых и инженеров по всему миру к разработке сканирующих антенн с высоким коэффициентом усиления разного типа. Одними из первых были попытки адаптации хорошо известных на значительно меньших частотах фазированных антенных решеток к работе в миллиметровом диапазоне частот. Однако, даже при сегодняшнем уровне науки и техники, разработка фазированной антенной решетки с большим количеством элементов (сотни, и тем более тысячи) для миллиметрового диапазона длин волн представляется сложной задачей, требующей применения новых более совершенных технологий.
Также были предложены апертурные антенны с несколькими антенными элементами, размещенными по существу в фокальной плоскости фокусирующего элемента антенны, сигнал между которыми коммутировался с помощью СВЧ переключателей. В таких антеннах при подаче сигнала только на один из антенных элементов, фокусирующий элемент антенны формирует диаграмму направленности с основным лучом, имеющим свое уникальное направление. Соответственно, переключение между антенными элементами обеспечивает переключение между направлениями луча. Основная проблема в таком подходе – в больших потерях, вносимых переключателями. Причем, чем выше рабочая частота, тем больше и потери. Порой эти потери превышают весь выигрыш от использования антенн с большим коэффициентом усиления, даже с учетом расширяющейся угловой области сканирования луча.
RF
RF
RF
RF
RF
RF
RF
RF
RF
АЕ
АЕ
АЕ
RF
RF
RF
АЕ
АЕ
АЕ
RF
RF
RF
Решение указанной проблемы было предложено в патенте RU2530330, опубл. 10.10.2014. Функциональная схема станции радиорелейной связи 100, выполненной по патенту RU2530330, представлена на Фиг. 1. Она содержит цифровой модем 10, многоканальный радиочастотный модуль 20 и пассивную антенную часть 30. В данном варианте реализации модем 10 соединен с блоками цифро-аналогового преобразователя (ЦАП) 60 и аналого-цифрового преобразователя (АЦП) 50 и содержит приемную часть 11 для обработки принятого сигнала, передающую часть 12 для формирования передаваемого сигнала, и модуль управления положением луча 40, соединенный с приемной 11 и передающей 12 частями модема 10 посредством контрольных каналов 41. Блоки 21, 22 распределения принятого и передаваемого сигналов соединены с блоками ЦАП 60 и АЦП 50, а также и с радиочастотными блоками 1, 2,…N, входящими в состав многоканального радиочастотного модуля 20.. В рассматриваемом изобретении модуль управления антенной 40 соединен с блоками 21 и 22 распределения сигналов посредством управляющих каналов 42 и не соединен с радиочастотными блоками 1, 2,…N. Каждый радиочастотный блок 1, 2,…N в свою очередь соединен с одним антенным элементом 1, 2,…M пассивной антенной части 30. В этом варианте сгенерированный в передающей части 12 цифрового модема 10 информационный сигнал поступает на ЦАП 60 для формирования сигнала на видеочастоте. Этот сигнал поступает на вход блока 22 распределения передаваемого сигнала, который осуществляет выбор на основе управляющих сигналов от модуля управления положением луча 40 по меньшей мере одного из радиочастотных блоков 1, 2,…N для формирования сигнала на несущей частоте. Сигнал на несущей частоте, таким образом, поступает по меньшей мере на один из антенных элементов 1, 2,…M для передачи в направлениях, соответствующих данным антенным элементам. В свою очередь принятый с этих направлений сигнал на несущей частоте поступает по меньшей мере на один радиочастотный блок из 1, 2,…N, выбранный блоком 21 распределения принятого сигнала, для формирования сигнала на видеочастоте. Сигнал на видеочастоте поступает через блок АЦП 50 на вход приемной части 11 модема 10 для демодулирования.
Модуль управления положением луча 40 в станции по патенту RU2530330 реализован в виде блока цифровой логики, генерирующего управляющие сигналы для блоков распределения сигнала 21 и 22 на основе информации, получаемой от приемной 11 и передающей 12 частей цифрового модема 10 по контрольным каналам 41. Управляющие сигналы поступают на блоки распределения 21 и 22 по управляющим каналам 42. На основе управляющих сигналов (например, сигналов постоянного напряжения для изменения состояния переключателя) блок распределения принятого сигнала 21 и блок распределения передаваемого сигнала 22 осуществляют выбор (в простейшем случае переключение) по меньшей мере одного радиочастотного блока для обработки принятых и формирования передаваемых информационных сигналов. При этом выбранные радиочастотные блоки соединены с антенными элементами, возбуждение которых формирует лучи диаграммы направленности сканирующей антенны в заданных направлениях.
В рассматриваемом аналоге, который и выбран за прототип настоящего изобретения, каждый из блоков распределения 21 и 22 содержит по меньшей мере один низкочастотный аналоговый переключатель на несколько направлений. Таким образом, основным режимом является выбор только одного из радиочастотных блоков для передачи сигнала в направлении, определяемом номером активного антенного элемента. В результате, сканирование луча производится только по набору заранее известных направлений антенны. Другими словами, обеспечивается дискретное сканирование без возможности установки произвольного направления луча.
В частных случаях в аналоге блок распределения принятого сигнала 21 и блок распределения передаваемого сигнала 22 выполнены также и с возможностью подачи сигнала сразу на несколько радиочастотных блоков. Однако, это позволяет использовать предложенную станцию в качестве системы радиорелейной связи (РРС) типа «точка-многоточка», но опять же с дискретным набором положений луча.
Рассмотренная станция радиорелейной связи по патенту RU2530330 позволяет эффективно использовать сканирующие антенны различного типа фактически без потерь на переключение луча, так как оба блока распределения сигнала выполнены на видеочастоте, то есть до или после переноса сигнала на высокую несущую частоту, где подобное распределение сигнала было бы сопряжено с большими вносимыми потерями.
Однако недостатком станции-аналога является невозможность непрерывного сканирования луча. В станции-аналоге сканирование луча возможно только по дискретному набору положений, определяемому количеством антенных элементов и их расположением, в том числе и расстоянием между ними в фокальной плоскости фокусирующего элемента. Понятно, что сделать это расстояние очень малым не представляется возможным вследствие конечных размеров самих антенных элементов. В результате, между возможными положениями луча образуются промежутки, в которых происходит уменьшение коэффициента усиления антенны, а значит и качества связи. Устранение таких провалов в коэффициенте усиления является важной задачей, решение которой позволит улучшить качество радиосвязи радиорелейных систем миллиметрового диапазона длин волн.
Другим недостатком является ограничение выходной мощности всей станции максимальной мощностью каждого из радиочастотных блоков. Все неактивные радиочастотные блоки должны быть выключены, либо оставаться пассивными, что увеличивает сложность разработки, а также уменьшает эффективность по энергопотреблению станции РРС.
Техническим результатом настоящего изобретения является обеспечение непрерывной области покрытия сканирующей антенны станции радиорелейной связи при электронном сканировании луча без дополнительных потерь сигнала.
РАСКРЫТИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ
Указанный технический результат достигается за счет того, что в раскрытой станции радиорелейной связи, содержащей по меньшей мере два антенных элемента, по меньшей мере два радиочастотных блока, причем каждый радиочастотный блок соединен с по меньшей мере одним антенным элементом, цифровой модем, содержащий приемную часть и передающую часть, блок распределения принятого сигнала, соединенный с радиочастотными блоками и с приемной частью модема и выполненный с возможностью подачи принятого сигнала от радиочастотных блоков через АЦП на приемную часть цифрового модема, блок распределения передаваемого сигнала, соединенный с радиочастотными блоками и с передающей частью цифрового модема и выполненный с возможностью подачи передаваемого сигнала от передающей части цифрового модема через ЦАП на радиочастотные блоки, модуль управления положением луча, соединенный с приёмной и передающей частями цифрового модема через контрольные каналы, отличающейся тем, что она дополнительно содержит генератор тактового сигнала и систему распределения тактового сигнала, соединенную с генератором тактового сигнала и со всеми радиочастотными блоками, причем каждый радиочастотный блок содержит систему фазовой автоподстройки частоты локального гетеродина, выполненную на основе синтезатора частот с управляемым дробным коэффициентом деления, а также и элементы с перестраиваемым коэффициентом усиления, а модуль управления положением луча соединён с радиочастотными блоками через управляющие каналы.
В раскрытой станции радиорелейной связи для всех радиочастотных блоков используется один генератор тактового сигнала, который делится на несколько направлений с помощью системы распределения тактового сигнала. Это позволяет исключить уходы частоты и фазы между сигналами разных радиочастотных блоков в процессе работы (уже после подстройки).
Каждый радиочастотный блок содержит систему фазовой автоподстройки частоты локального гетеродина, выполненную на основе синтезатора частот с управляемым дробным коэффициентом деления. Такая конфигурация позволяет проводить подстройку и синхронизацию фазы между сигналами разных радиочастотных блоков. Это делается с помощью кратковременного незначительного изменения дробного коэффициента деления синтезатора частот на подстраиваемом радиочастотном блоке. В результате, частота этого блока немного изменяется по сравнению с остальными радиочастотными блоками, а относительная фаза начинает линейно изменяться во времени. После возврата дробного коэффициента деления к номинальному значению относительная фаза стабилизируется. Понятно, что ее значение может быть таким образом установлено любым, в том числе и нулевым, что будет означать полную синхронизацию по фазе. Такая настройка может выполняться для всех радиочастотных блоков, начиная со второго, последовательно так, чтобы добиться синхронизации по фазе или же нужного распределения по фазе между всеми радиочастотными блоками.
Управление дробным коэффициентом деления синтезаторов частоты выполняется модулем управления положением луча, который соединён с радиочастотными блоками через управляющие каналы.
За счет указанного способа подстройки фазы возможно сформировать произвольное фазовое распределение на антенных элементах, что обеспечит установку произвольного направления луча внутри области сканирования. Понятно, что дискрет в таких направлениях в данном случае будет уже определяться не количеством антенных элементов, а дискретом дробного коэффициента деления синтезаторов частот. Современные варианты исполнения таких синтезаторов позволяют достигать дискретов в единицы и даже доли герц, что фактически делает дискрет положений луча очень малым. Таким образом достигается неочевидный технический результат в виде непрерывной области сканирования заявленной станции радиорелейной связи.
В частной реализации станция радиорелейной связи дополнительно содержит фокусирующий элемент с фокальной поверхностью. В еще более конкретной реализации антенные элементы расположены по существу на фокальной поверхности фокусирующего элемента, а расстояние между антенными элементами выбрано таким образом, что при поочередном возбуждении антенных элементов формируемые ими лучи диаграммы направленности антенны перекрываются по уровню, не большему чем -5 дБ по сравнению с максимумом излучения.
В этой реализации за счет фокусирующего элемента достигается высокий коэффициент усиления антенны, что очень актуально в СВЧ и миллиметровых диапазонах для обеспечения больших дистанций радиосоединения.
Более того, несколько изменяется и способ управления положением луча. Так, хорошо известно, что в апертурных антеннах отклонение луча определяется не столько фазовым распределением сигнала по антенным элементам, сколько смещением активного антенного элемента относительно оси фокусирующего элемента. В результате необходимо кроме синхронизации антенных элементов по фазе обеспечить еще и некоторое амплитудное распределение, которое может быть в одном случае равномерным, а в другом вся мощность может падать только на один из антенных элементов, делая все остальные пассивными.
В указанной реализации настоящего изобретения модуль управления положением луча наряду с синтезаторами частоты управляет и элементами радиочастотных блоков с управляемым коэффициентом усиления. Тогда, для уменьшения мощности одного из антенных элементов соответствующий коэффициент усиления может быть сделан очень малым, а для увеличения, наоборот, максимально большим.
Более того, в рассматриваемой реализации возникает возможность активации сразу нескольких близкорасположенных антенных элементов, что приводит к смещению их общего фазового центра и отклонению луча на произвольное угловое значение. В результате, обеспечивается аналогичный технический результат в виде непрерывной области сканирования.
В частных реализациях фокусирующим элементом является параболическое зеркало либо тонкая диэлектрическая линза, либо линза Люнеберга, либо полуэллиптическая линза с продолжением, причем фокальная поверхность линзы по существу совпадает с задней поверхностью продолжения.
В другой частной реализации один радиочастотный блок является радиочастотным модулем передатчика, а остальные – радиочастотными модулями приемника. Такая реализация актуальна для радаров или систем радиовидения.
В альтернативной реализации все радиочастотные блоки являются радиочастотными приемопередающими модулями. Такая реализация актуальна для систем беспроводной связи.
В одной реализации радиочастотные блоки выполнены по архитектуре прямого преобразования сигнала на несущую частоту. В альтернативной реализации радиочастотные блоки выполнены по супергетеродинной архитектуре, а управление частотой синтезаторов частот выполняется на по меньшей мере одном из локальных гетеродинов.
В еще одной частной реализации антенные элементы являются элементами с двумя ортогональными поляризациями. В конкретной реализации выход одной из двух поляризаций каждого антенного элемента соединен с передающей частью радиочастотного блока, а выход другой поляризации – с приемной частью.
В еще одной реализации станция радиорелейной связи выполнена с возможностью работы в режиме временного разделения приема и передачи. Рассматривая две последние реализации, понятно, что режим временного разделения приема и передачи обеспечивается с помощью поляризационной развязки, при этом переключатель режимов приема и передачи из состава станции исключен для уменьшения потерь.
В еще одной частной реализации блоки распределения принятого и передаваемого сигналов содержат переключатели. В альтернативной реализации блоки распределения принятого и передаваемого сигналов содержат делители/сумматоры мощности. Понятно, что в первом случае модуль управления положением луча должен иметь возможность управления положениями переключателей, а во втором – это необязательно, так как разделенная мощность проходит через разные радиочастотные блоки с разными коэффициентами усиления, установленными модулем управления положением луча, что и обеспечивает подачу сигнала на нужные антенные элементы.
В конкретной реализации станция радиорелейной связи содержит СВЧ переключатели между антенными элементами и по меньшей мере одним радиочастотным блоком. В данном случае дополнительно к непрерывному сканированию обеспечивается возможность классического сканирования с переключением луча. Это актуально при необходимости увеличить количество антенных элементов для увеличения области сканирования.
В еще одной реализации сигналы на несущей частоте на выходах радиочастотных блоков синхронизованы между собой по фазе.
В еще одной реализации сигналы на несущей частоте на выходах радиочастотных блоков равны по мощности.
В частной реализации неактивные радиочастотные блоки отключены. Причем для принятия решения об отключении радиочастотного блока может быть установлен порог по коэффициенту усиления. Отключение неактивных радиочастотных блоков позволяет уменьшить потребление станции и повысить энергоэффективность.
В еще одной конкретной реализации станция радиорелейной связи дополнительно содержит несколько аналого-цифровых и цифро-аналоговых преобразователей, а блоки распределения принятого и передаваемого сигналов реализованы в виде цифровой логики в цифровом модеме.
В разных реализациях станция радиорелейной связи может быть выполнена с возможностью использования в радиорелейных системах связи типа «точка-точка» и «точка-многоточка».
В еще одной реализации полоса несущих частот станции радиорелейной связи равна 71-76 ГГц.
Также заявлен способ электронного сканирования луча в заявленной станции радиорелейной связи, содержащий следующие последовательные шаги: А) Синхронизация сигналов на выходе по меньшей мере двух радиочастотных блоков по фазе с помощью кратковременного изменения дробного коэффициента деления синтезатора частот системы фазовой автоподстройки частоты локального гетеродина по меньшей мере одного радиочастотного блока; Б) Определение модулем управления положением луча желаемого направления луча антенны в соответствии с контрольной информацией от приемной и передающей частей цифрового модема, получаемой по контрольным каналам; В) Формирование модулем управления положением луча мощностных коэффициентов для всех сигналов на выходе по меньшей мере двух радиочастотных блоков в соответствии с желаемым направлением луча антенны; Г) Подача управляющих сигналов, соответствующих сформированным мощностным коэффициентам, по управляющим каналам на элементы с переменным коэффициентом усиления радиочастотных блоков; Д) Подача сигнала данных на блоки распределения принятого и передаваемого сигналов.
КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ
Детали, признаки, а также преимущества настоящего изобретения следуют из нижеследующего описания реализации заявленного технического решения и чертежей, на которых показано:
Фиг.1 – структура известной станции РРС, выполненной по патенту RU2530330 (уровень техники).
Фиг.2 – структура радиорелейной станции в соответствии с одним вариантом реализации настоящего изобретения.
Фиг. 3 – иллюстрация расчета положения фазового центра четырех антенных элементов при сканировании в соответствии с одним вариантом настоящего изобретения.
Фиг.4 – структура радиочастотного блока в соответствии с одним вариантом реализации настоящего изобретения.
На фигурах цифрами обозначены следующие позиции:
RF
AE
200 – станция РРС; 10 – цифровой модем; 20 – многоканальный радиочастотный модуль; 30 – пассивная антенная часть; 1..N – радиочастотные блоки; 1..M –антенные элементы; 11 – приемная часть цифрового модема; 12 – передающая часть цифрового модема; 40 – модуль управления положением луча; 41 – контрольные каналы; 42 – управляющие каналы; 50 – аналого-цифровой преобразователь (АЦП); 60 – цифро-аналоговый преобразователь (ЦАП); 21 – блок распределения принимаемого сигнала; 22 – блок распределения передаваемого сигнала; 23 – генератор тактового сигнала; 24 – система распределения тактового сигнала; 31 – фокусирующий элемент; 71 – малошумящий усилитель; 72 – усилитель мощности; 73 – понижающий смеситель; 74 – повышающий смеситель; 75 – цепь приемника (элементы) с переменным коэффициентом усиления; 76 – цепь передатчика (элементы) с переменным коэффициентом усиления; 77 – делитель мощности; 78 – генератор, управляемый напряжением; 79 – делитель частоты; 81 – синтезатор частот; 811 – делитель с дробным коэффициентом деления; 812 – фазо-частотный детектор; 82 – фильтр системы фазовой автоподстройки частоты.
ОСУЩЕСТВЛЕНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ
Настоящее изобретение может быть более детально понято из последующего описания некоторых реализаций станции радиорелейной связи с многоканальным радиочастотным модулем и непрерывным сканированием луча, на примерах адаптации для использования в высокоскоростных системах радиосвязи типа «точка-точка» миллиметрового диапазона длин волн.
В известной антенне с многоканальным радиочастотным модулем, выполненной по патенту RU2530330, отклонение луча антенны определяется смещением активного антенного элемента относительно оси линзы. Так как антенные элементы в переключаемой группе невозможно расположить бесконечно близко друг к другу в силу их конечных размеров, то получается большой дискрет в возможных положениях луча, что приводит к неравномерности области покрытия, то есть к зависимости коэффициента усиления от углового направления на ответную станцию.
RF
RF
RF
RF
В предложенной в настоящем изобретении станции, пример которой показан на Фиг.2, этот недостаток устранен. Представленная на Фиг. 2 станция радиорелейной связи 200 содержит цифровой модем 10, АЦП 50 и ЦАП 60, многоканальный радиочастотный модуль 20 и пассивную антенную часть 30. Цифровой модем 10 содержит приемную часть 11, передающую часть 12 и модуль управления положением луча 40, соединенный с приемной частью 11 и передающей частью 12 посредством контрольных каналов 41, необходимых для передачи контрольной информации для определения модулем управления положением луча 40 желаемого (наиболее эффективного) направления луча. Многоканальный радиочастотный модуль 20 содержит блок распределения принятого сигнала 21, блок распределения передаваемого сигнала 22, общий генератор тактового сигнала 23, систему распределения тактового сигнала 24 и множество радиочастотных блоков 1..N. Блоки распределения 21 и 22 соединены с радиочастотными блоками 1..N и с приемной и передающей частями 11 и 12 цифрового модема 10. Система распределения тактового сигнала 24 соединена с генератором тактового сигнала 23 и со всеми радиочастотными блоками 1..N, причем каждый радиочастотный блок содержит систему фазовой автоподстройки частоты локального гетеродина, выполненную на основе синтезатора частот с управляемым дробным коэффициентом деления, и элементы с перестраиваемым коэффициентом усиления. Более подробно структура отдельного радиочастотного блока будет рассмотрена ниже. Модуль управления положением луча 40 соединён с радиочастотными блоками 1..N через управляющие каналы 42.
AE
Пассивная антенная часть 30 содержит фокусирующий элемент 31 и множество антенных элементов 1..M, причем каждый радиочастотный блок соединен с по меньшей мере одним антенным элементом.
Благодаря такой структуре станция 200 позволяет возбудить одновременно группу близкорасположенных антенных элементов и сформировать в итоге луч диаграммы направленности в некотором направлении, соответствующем положению общего фазового центра этой группы. Необходимым условием является малое расстояние между активными антенными элементами так, чтобы формируемый луч не распался на несколько разных направлений.
Также обеспечивается и основной технический результат, заключающийся в возможности непрерывного сканирования по углу за счет подачи на каждый антенный элемент разной мощности одного и того же сигнала (при условии обеспечения фазовой синхронизации). Например, в группе из двух антенных элементов возможно расположить их общий фазовый центр в любой точке на прямом отрезке, соединяющем эти антенные элементы, за счет задания нужного распределения мощности между ними.
i
Для пояснения изложенного выше, на Фиг. 3 показана схематично решетка из четырех антенных элементов, расположенных в вершинах квадрата. Расстояние между облучателями обозначено как d, а центр системы координат расположен в центре группы антенных элементов. При совместном возбуждении всех антенных элементов с разными мощностными коэффициентами A их общий фазовый центр будет находиться в точке с координатами, вычисленными по формулам:
по оси Х:
по оси Y: ,
1
2
3
4
∑
где А, А, А, А – мощностные коэффициенты, а А - сумма коэффициентов или, другими словами, общая мощность, подводимая к антенне.
В данных формулах сумма всех мощностных коэффициентов может быть зафиксирована в качестве неизменного параметра. Тогда можно говорить именно о перераспределении мощности между четырьмя антенными элементами. В крайних случаях, когда вся мощность распределена только на один из антенных элементов, получается классический случай антенны с переключаемым лучом, а соответствующие фазовые центры совпадают с фазовыми центрами каждого из антенных элементов. При одновременном возбуждении всех антенных элементов фазовый центр будет находиться в точке с координатами (0,0), то есть прямо в центре решетки. Этот случай очень важен, так как позволяет сформировать центральный луч в области покрытия именно в том месте, где классическая антенна с переключением луча и такой же квадратной конфигурацией из четырех антенных элементов оставляет провал по коэффициенту усиления.
Если же возбуждены только два антенных элемента (с равными мощностными коэффициентами), например, №№ 1 и 2, то положение фазового центра сместится по оси OY, но останется несмещенным по оси OX. Это позволит отклонить луч только в одной плоскости. Аналогичным образом можно рассмотреть и произвольные соотношения между мощностными коэффициентами при возбуждении нескольких антенных элементов. Очевидно, что в этом случае положение фазового центра может быть совершенно произвольным внутри квадратной области, ограниченной четырьмя антенными элементами. А значит и при сканировании максимум луча можно направить в произвольном направлении, другими словами сканирование луча становится из дискретного непрерывным.
Область покрытия в общем случае ограничивается контуром фигуры, образованной антенными элементами (в рассмотренном примере – это квадрат). Необходимым условием здесь является определенное максимально допустимое расстояние между антенными элементами. Объясняется это тем, что при большом расстоянии, лучи от каждого из антенных элементов становятся независимыми, а при совместном возбуждении антенных элементов – формируется не один общий луч, а два в исходных направлениях. Определить нужное расстояние можно исходя из типа и размеров фокусирующего элемента антенны, материала, типа антенных элементов и других практических особенностей. Однако, дать общее определение сложно. Проще определить исходный минимально допустимый уровень перекрытия лучей, формируемых соседними антенными элементами при независимом возбуждении. Можно сказать, что заведомо допустимый уровень перекрытия составляет -3 – -4 дБ, а минимально допустимый – -5 дБ. Проверку уровня перекрытия при разработке целесообразно делать с помощью специализированных программных средств для электродинамического моделирования.
Случай формирования двух лучей актуален для систем «точка-многоточка». Причем, понятно, что в некоторой реализации настоящего изобретения может быть обеспечено непрерывное сканирование каждого луча независимо.
Дополнительные выводы возникают при рассмотрении станции радиорелейной связи с многоканальным радиочастотным модулем, работающей на передачу. В этом случае мощность суммы всех активных антенных элементов может и не быть фиксированной для различных распределений мощности. Дело в том, что обычно существует некоторый максимальный уровень выходной мощности, обеспечиваемый каждым радиочастотным блоком в многоканальном радиочастотном модуле, и определяемых характеристиками выходного усилителя мощности. При возбуждении только одного антенного элемента, именно эта мощность и будет на него направлена. Но при возбуждении двух антенных элементов, общая мощность, излучаемая антенной, будет уже в два раза больше. А при возбуждении четырех антенных элементов с равными мощностными коэффициентами – в четыре раза больше. При неравных коэффициентах возбуждения необходимо зафиксировать максимальный из них и подать соответствующую максимальную мощность на данный антенный элемент, а мощности на остальных – пропорционально уменьшить.
В случае же приема, мощность, принимаемая антенной, всегда одинакова, что определяется ее апертурой, а распределение коэффициентов по антенным элементам определяет лишь текущее направление приема, изменяя положение фазового центра. В этом случае работу антенны необходимо рассматривать из исходного предположения, что сумма всех мощностных коэффициентов зафиксирована и не меняется.
RF
Рассмотрим более подробно вариант реализации одного радиочастотного блока, показанный на Фиг. 4. В этом варианте архитектура радиочастотного блока 1 является архитектурой с прямым преобразованием на несущую частоту. То есть при передаче сигнал переносится сразу с основной частоты на высокую несущую частоту с помощью единственного локального гетеродина. Такой радиочастотный блок содержит на стороне передачи – усилитель мощности 72, повышающий смеситель 74, цепь передатчика с переменным коэффициентом усиления 76, а на стороне приемника – малошумящий усилитель 71, понижающий смеситель 73, и аналогично цепь приемника с переменным коэффициентом усиления 75. Именно цепи 75 и 76 управляются модулем управления положением луча 40 по управляющим каналам 42 в случае, когда необходимо создать некоторое амплитудное распределение на антенных элементах.
RF
На стороне формирования сигнала локального гетеродина радиочастотный блок 1, показанный на Фиг. 4, содержит делитель мощности 77, генератор, управляемый напряжением, 78, делитель частоты 79, фильтр системы фазовой автоподстройки частоты 82, синтезатор частот 81, содержащий в свою очередь делитель 811 с дробным коэффициентом деления и фазо-частотный детектор 812. При этом делитель 811 также управляется модулем управления положением луча 40 по управляющим каналам 42. В данном случае такой контроль позволяет сформировать требуемое фазовое распределение по антенным элементам или же обеспечить синхронизацию по фазе между ними.
Следует отметить преимущества такого способа управления фазой по сравнению с известными классическими при работе в миллиметровом диапазоне частот. В общем случае все способы управления фазой на выходе радиочастотного блока можно разделить на три типа:
1. Управление фазой сигнала в СВЧ тракте;
2. Управление фазой в сигнальном тракте до переноса на несущую частоты;
3. Управление фазой в тракте гетеродина.
Управление фазой в СВЧ тракте часто нецелесообразно по причине отсутствия либо же дороговизны эффективных фазовращателей миллиметрового диапазона длин волн. Кроме того, такие фазовращатели вносят существенные потери.
Второй способ – управление фазой до переноса на несущую частоту – часто непригоден по причине того, что передатчик переносит сигнал с нулевой частоты, где сигнал является широкополосным. Таким образом, в этом случае необходимо использование не фазовращателя, а переменной линии задержки, что является нетривиальной задачей.
Третий способ является наиболее предпочтительным, но и здесь есть несколько вариантов.
Использование классических фазовращателей нежелательно по тем же самым причинам, что и их использование в сигнальном тракте. Кроме того, часто генератор, управляемый напряжением, встроен в микросхему приемопередатчика или смесителя и нет возможности интегрировать туда еще какие-либо устройства. Например, одним из возможных вариантов является использование фазовращателя в цепи обратной связи системы фазовой автоподстройки частоты, то есть после генератора, управляемого напряжением, 78 или делителя частоты 79 в цепи его обратной связи, если таковой имеется. В первом случае фазовращатель должен быть очень высокочастотным, а во втором шаг управления фазой становится слишком грубым из-за деления частоты на достаточно большое значение. Поэтому в предложенном изобретении найден другой вариант подстройки фаз сигналов на выходах радиочастотных блоков.
Этот альтернативный способ управления фазой на выходе радиочастотного блока заключается в изменении значения дробного делителя частоты в синтезаторе частот системы фазовой автоподстройки частоты на короткое время и на небольшую величину. Тогда легко посчитать, что получившийся набег фазы генератора, управляемого напряжением, будет пропорционален изменению частоты на входе фазо-частотного детектора по сравнению с исходным значением, умноженному на время изменения делителя.
Следует отметить, что в современных микросхемах синтезаторов частот коэффициент деления частоты может устанавливаться с очень высокой точностью. Например, в микросхеме синтезатора частоты ADF4158 компании Analog Devices минимальный шаг изменения делителя равен , что при частоте сигнала генератора, управляемого напряжением, равной 1 ГГц дает возможность сделать минимальный шаг изменения частоты всего в 30 Гц. С учетом того, что современные средства позволяют эффективно контролировать время изменения коэффициента усиления на интервале вплоть до десятков и единиц микросекунд, можно получить, что шаг изменения фазы может быть очень малым, вплоть до десятых долей градуса.
RF
RF
RF
RF
RF
RF
RF
RF
RF
RF
RF
RF
RF
RF
а
AE
Изобретение, выполненное по Фиг. 2 и Фиг. 4, работает следующим образом. Передающая часть 12 цифрового модема 10 формирует цифровой сигнал на основе данных, которые необходимо передать. Этот сигнал пропускается через ЦАП 60 для формирования аналогового сигнала. Затем блок распределения передаваемого сигнала 22 делит сигнал на несколько направлений. В частном случае сигнал делится на равные по мощности части. Каждая из частей сигнала подается на отдельный радиочастотный блок 1..N, в котором производится подстройка сигнала по мощности и его перенос на несущую частоту. В то же самое время модуль управления положением луча 40, реализованный как блок цифровой логики модема 10, формирует управляющие сигналы. Эти сигналы формируются на основе специального алгоритма, пользующегося служебной информацией, полученной по контрольным каналам 41 от передающей части 12 цифрового модема 10. Управляющие сигналы имеют целью сформировать луч диаграммы направленности антенны в некотором направлении. Передача управляющих сигналов от модуля управления положением луча 40 к радиочастотным блокам 1..N осуществляется посредством управляющих каналов 42. Управляющие сигналы используются для управления коэффициентом деления синтезатора частот и цепью передатчика с переменным коэффициентом усиления. В результате сигналы в каждом из радиочастотных блоков 1..N на выходе имеют требуемые мощности, которые могут быть как равными, так и сильно отличаться между собой. Для переноса сигналов на несущую частоту в радиочастотных блоках 1..N используются повышающий смеситель 74 с генератором, управляемым напряжением, 78, формирующим сигнал локального гетеродина. Генератор тактового сигнала 23 является общим для всех радиочастотных блоков 1..N, а формируемый тактовый сигнал проходит через систему распределения тактового сигнала 24. Каждая копия опорного сигнала поступает вместе с обратным сигналом генератора, управляемого напряжением, 78 на вход синтезатора частоты 81. За счет управления встроенным делителем с дробным коэффициентом деления 811 и кратковременного изменения величины деления частоты обеспечивается равенство фаз сигналов на всех радиочастотных блоках 1..N. Также возможно и формирование некоторого желаемого фазового распределения сигналов на каждом из выходов радиочастотных блоков 1..N. В результате, передаваемые сигналы возбуждают антенные элементы 1..M согласно сформированному амплитудно-фазовому распределению. Затем фокусирующий элемент 31 (например, линза) фокусирует луч в направлении, однозначно определяемом этим распределением.
RF
RF
Станция на прием работает аналогичным образом, только вся обработка производится в обратную сторону и в обратном порядке. Задаваемое амплитудно-фазовое распределение позволяет наиболее эффективно произвести сложение сигналов от всех радиочастотных блоков 1..N с помощью блока распределения принимаемого сигнала 21 и передать его на цифровой модем 10 для дальнейшей демодуляции.
Настоящее изобретение не ограничено конкретными вариантами реализации, раскрытыми в данном описании лишь в иллюстративных целях, и охватывает все модификации и варианты, не выходящие за рамки объема и сущности изобретения, которые определены указанной формулой изобретения.