СПОСОБ МНОГОПОЛЯРИЗАЦИОННОГО УПЛОТНЕНИЯ РАДИОЧАСТОТНОГО СПЕКТРА В РАДИОСИСТЕМЕ
METHOD FOR MULTI-POLARISATION MULTIPLEXING OF RADIO-FREQUENCY SPECTRUM IN RADIO SYSTEM

Изобретение относится к системам радиосвязи, в частности к увеличению эффективности использования радиочастотного спектра.
Известны радиосистемы, в которых реализуется одновременная передача в общей полосе частот двух радиосигналов с взаимно ортогональными поляризациями, что соответствует увеличению эффективности использования радиоспектра в два раза по сравнению со случаем использования одной поляризации. В частном случае систем спутниковой связи с взаимно ортогональными поляризациями это увеличение может достигать четырех раз при наличии дополнительного пространственного разнесения двух зон обслуживания с использованием двух лучей диаграммы направленности бортовой антенны [1, 2]. При отсутствии указанного дополнительного пространственного разнесения зон обслуживания выигрыш в эффективности использования спектра радиосистемой за счет использования двух взаимно ортогональных поляризаций не превосходит двух. Недостатком систем спутниковой связи с взаимно ортогональными поляризациями является ограничение выигрыша в эффективности использования радиочастотного спектра величиной 2 при отсутствии пространственного разнесения зон обслуживания и величиной 4 при наличии такого разнесения.
В качестве прототипа данного изобретения может быть использован любой способ двухкратного (повторного) использования радиочастот, допускающий одновременную передачу информации на двух ортогональных поляризациях: линейных, круговых или эллиптических (например, [3]). В системах спутниковой связи из-за необходимости точного ориентирования и удержания в процессе эксплуатации плоскостей поляризации спутниковых и наземных антенн, а также из-за низких уровней достижимых развязок на частотах до 10 ГГц из-за эффекта Фарадея в атмосфере Земли применяется повторное использованием частот путем применения круговой или эллиптической поляризации радиосигналов. Повышение развязки двух одновременно передаваемых радиосигналов без существенного усложнения антенных систем достигается посредством ориентации большой оси эллипса поляризации приемной антенны перпендикулярно большой оси эллипса поляризации падающей волны противоположного направления вращения, что позволяет при примерно равных их коэффициентах эллиптичности (Кэ) сделать развязку тем больше, чем точнее ориентирована ось эллипса приемной антенны и чем ближе величины (Кэ) падающей волны и приемной антенны. Недостатком прототипа является отсутствие возможности осуществления более чем двукратного поляризационного уплотнения спектра радиосистемы.
Техническим результатом предлагаемого изобретения является увеличение эффективности использования спектра радиосистемой, использующей одну поляризацию, в q раз (q>2) за счет одновременной передачи в точку приема q нескольких радиосигналов с одинаковой несущей частотой, но различными поляризациями. Сущность способа заключается в обеспечении многополяризационного уплотнения радиосистемы с последующим разделением радиосигналов по поляризациям и их раздельной демодуляцией в точках приема.
Радиосистема с многополяризационным уплотнением работает следующим образом.
На передающей стороне радиосистемы устанавливают q передатчиков, излучающих радиосигналы посредством индивидуальных для каждого передатчика антенных устройств с различающимися поляризациями, назначенными при проектировании радиосистемы и реализуемыми без принципиальных затруднений посредством соответствующей ориентации в пространстве облучателей антенн каждого передатчика (в случае использования СВЧ диапазона) или требуемой ориентации вибраторов антенн в случае использования более низкочастотных диапазонов.
На фиг. 1 приведен пример реализации сдвига поляризаций двух антенн на угол Δ для апертурных антенн СВЧ с облучателями и рефлектором. Раскрывы облучателей двух антенн условно обозначены прямоугольниками.
На фиг. 2 приведен пример реализации сдвига поляризаций двух антенн типа диполь на угол Δ для антенн более низкочастотных диапазонов.
Каждой из q выбранных при проектировании поляризаций (а также передатчику и приемнику, работающим на этой поляризации) присваивают определенный номер i в пределах от 1 до q.
Переданные q радиосигналов , ,  с одинаковой несущей частотой и разными поляризациями (1, 2, 3 … q соответственно) поступают на входы q приемников, каждый из которых предназначен для приема радиосигналов одной из q поляризаций.
На вход приемника с антенной i-й поляризации поступают как полезный радиосигнал с этой же поляризацией, так и помеховые радиосигналы с остальными поляризациями, причем напряжение радиосигнала с j-й поляризацией, отличающейся от i-й поляризации на угол Δ ij=(φi-φj), где φi и φj - углы, характеризующие поляризации i-го и j-го радиосигналов, ослабляется антенной i-го приемника пропорционально cos(φi-φj). Таким образом, на вход ВЧ тракта приемника радиосигнала i-й поляризации поступает результирующее суммарное входное воздействие:
, j≠i,
где (φi-φj) - угол между плоскостями поляризации полезного i-го радиосигнала и помехового j-го радиосигналов.
Разделение радиосигналов на приеме происходит в результате подачи результирующих напряжений с выходов линейных высокочастотных трактов каждого i-го приемника, пропорциональных  и в соответствии с формулой (1) являющихся линейными комбинациями всех q переданнных радиосигналов, на один из q входов блока обработки совокупности результирующих напряжений , содержащего q сумматоров с q входами, причем на выходе сумматора 1 получают радиосигнал , на выходе второго сумматора получают радиосигнал , на выходе сумматора 3 получают радиосигнал  и радиосигнал Sq(t) на выходе сумматора q.
При этом на i-й вход j-го сумматора поступает результирующее напряжение с выхода высокочастотного тракта i-го приемника , предварительно пропущенное через линейное устройство с коэффициентом передачи aij, определяемым в результате решения системы уравнений, описывающих данную радиосистему, и зависящим от величины q, порядкового номера полезного радиосигнала i, для которого рассчитывается данный коэффициент, и порядкового номера радиосигнала j, создающего помеху i-му полезному радиосигналу.
Пример нахождения коэффициентов передачи aij для случая q=4 приведен ниже.
После разделения переданных радиосигналов , ,  каждый из них поступает для демодуляции на вход индивидуального демодулятора.
Обобщенная структурная схема реализации предлагаемого метода многополяризационного уплотнения радиочастотного спектра в радиосистеме приведена на фиг. 3, где приняты следующие обозначения: 1, 2, 3, 4 - передатчики радиосигналов с 1-й, 2-й, 3-й q-й поляризациями соответственно;
5, 6, 7, 8 - линейные части высокочастотных трактов приемников радиосигналов с 1-й, 2-й, 3-й и q-й поляризациями соответственно;
9 - устройство обработки совокупности результирующих воздействий  от линейных частей высокочастотных трактов приемников радиосигналов каждой поляризации на входы устройства обработки совокупности результирующих воздействий ;
10, 11, 12, 13 - демодуляторы радиосигналов с 1-й, 2-й, 3-й и q-й поляризациями.
Утолщенные линии обозначают передачу полезных сигналов каждого передатчика на линейные части высокочастотных трактов приемника радиосигналов той же поляризации, что и у этого передатчика. Тонкие линии обозначают мешающее воздействие сигналов каждого передатчика радиосигналов на линейные части высокочастотных трактов приемника сигналов иной поляризации, чем у данного передатчика. Различные поляризации радиосигналов символически обозначены в кружках.
Величины  представляют собой линейные комбинации всех q сигналов, которые имеют вид:
где (φi-φj) - угол между плоскостями поляризации i-гo и j-го сигналов.
Совокупность q выражений вида (1) для каждого значения i образует систему q линейных уравнений с q неизвестными, решение которой позволяет получить выражения для нахождения всех Si(t) по известным , получаемым посредством ответвления напряжений с выхода линейной части ВЧ тракта каждого приемника и подачи их на соответствующие входы устройства обработки совокупности результирующих воздействий .
Из (1) следует, что решения системы уравнений для заданного значения q имеют вид [4]:
где aik - коэффициенты, зависящие от минимального угла между соседними плоскостями поляризации и значений i и k. Эти коэффициенты могут быть как положительными, так и отрицательными.
Функции устройства обработки совокупности радиосигналов  состоят в технической реализации операций получения всех принимаемых сигналов Si(t), описываемых выражениями (2), которые для каждого сигнала Si(t) осуществляются посредством i-го сумматора с q входами, на j-й вход которого через линейные устройства с коэффициентом передачи aij поступает напряжение .
Структурная схема всего устройства обработки совокупности радиосигналов  приведена на фиг. 4, где приняты следующие обозначения:
14, 15, 16, … 17 - линейные устройства с коэффициентами передачи a11, а12, а13 … a1q соответственно;
18, 19, 20, … 21 - линейные устройства с коэффициентами передачи а21, а22, а23 … a2q соответственно;
22, 23, 24, … 25 - линейные устройства с коэффициентами передачи а31, а32, а33 … a3q соответственно;
26, 27, 28, … 29 - линейные устройства с коэффициентами передачи aql, aq2, aq3 … aq4 соответственно;
30, 31, 32, … 33 - сумматоры, на выходах которых формируются сигналы S1(t), S2(t), S3(t), … Sq(t), переданные с 1-й, 2-й, 3-й … q-й поляризациями соответственно.
Напряжения радиосигналов , выделенных устройством обработки совокупности радиосигналов , направляются на входы индивидуальных демодуляторов.
Предлагаемый способ допускает как равномерное угловое разнесение используемых поляризаций радиосигналов (Δ=const), так и неравномерное, пример которого приведен ниже. Теоретического ограничения степени поляризационного уплотнения (количества одновременно передаваемых радиосигналов с одной несущей частотой) нет, но реальная максимальная степень этого уплотнения в большинстве случаев составляет ориентировочно 5 … 6 раз. В этих случаях при равномерном угловом разнесении угол между соседними поляризациями составит 180:5 … 6=(36…30) градусов.
При одинаковых углах  между соседними плоскостями поляризации система q уравнений вида (1) имеет решения, в частности, для q=4 (т.е. при Δ=45 град.) и для q=5 (т.е. при Δ=36 град.). Решение системы уравнений вида (1) представляет собой сумму формул вида (2), определяющих сигналы  на выходе устройства обработки совокупности радиосигналов . Получены выражения для этих решений. В случае q=3 и Δ=60 град. решения нет, но есть решение для случая q=3 и Δ=45 град., для поляризаций 0, 45 и 90 град., в случае неравномерного углового разнесения используемых поляризаций (0, 45 и 90 град.)
В качестве примера приведем решение для случае q=4, Δ=45 град. При этом формулы для , ,  и  имеют вид:
Из (3) следует, что в рассматриваемом случае коэффициенты aij имеют следующие значения: a11=3311.3; а12=-2341.1; а13=2341.1; а21=3311.3 и т.д.
i
i-1
i
i-1
Таким образом, предлагаемый способ увеличения эффективности использования радиочастотного спектра реализуем по меньшей мере при q=4 и 5 при одинаковой разности Δ=φ-φ между соседними плоскостями поляризации, а также при q=3 и неодинаковой разности Δ=φ-φ между соседними плоскостями поляризации (0, 45 и 90 град.). Это означает возможность повышения указанной эффективности по сравнению с использованием лишь одной поляризации в 3, 4, 5 и более раз соответственно.
Литература
[1]. Электромагнитная совместимость систем спутниковой связи. Под ред. Л.Я. Кантор, В.В. Ноздрин. - М. НИИР, 2009. - 280 с.
[2]. А. Киселев, В. Бобков, М. Ефимов. Поляризационное уплотнение - перспективы внедрения, "Коннект", 2014, №4.
[3]. Бережной С.Н. Способ повторного использования частот в системах спутниковой связи корреляцией параметров поляризационных эллипсов (Патент RU 2216855); Н04В 7\00 - Системы радиосвязи, т.е. системы с использованием излучения (Н04В 10/00, Н04В 15/00).
[4]. И.Н. Бронштейн, К.А. Семендяев. Справочник по математике для инженеров и учащихся втузов. Изд. "Наука". Главная редакция физико-математической литературы. 1980, стр. 250.