МНОГОЭЛЕМЕНТНАЯ АНТЕННАЯ РЕШЕТКА С АМПЛИТУДНОЙ И ФАЗОВОЙ КОМПЕНСАЦИЕЙ С АДАПТИВНЫМ ПРЕДВАРИТЕЛЬНЫМ ИСКАЖЕНИЕМ ДЛЯ БЕСПРОВОДНОЙ СЕТИ
MULTI-ELEMENT AMPLITUDE AND PHASE COMPENSATED ANTENNA ARRAY WITH ADAPTIVE PREDISTORTION FOR WIRELESS NETWORK

Информация о связанной заявке
Настоящая заявка испрашивает приоритет по предварительной заявке на патент США № 61/185137, поданной 08 июня 2009 г., раскрытие которой полностью включено в настоящий документ этой ссылкой.
Область техники, к которой относится изобретение
Настоящее изобретение относится, в общем, к системам и компонентам связи, и относящимся к ним способам. Более конкретно, настоящее изобретение направлено на активно управляемые антенные решетки и способы активного управления угломестной диаграммой направленности излучения антенной решетки.
Уровень техники
Современные беспроводные реализации антенных решеток, как правило, включают в себя множество излучающих элементов, которые можно расставлять над отражающей плоскостью, определяя ширину луча и угол в угломестной плоскости (также известный как угол наклона) излучаемого (а также принимаемого) сигнала. Угловую ширину луча антенны в угломестной плоскости можно, для получения преимущества, изменять, путем изменений амплитуды и фазы радиочастотного сигнала, примененных к соответствующим излучающим элементам. Угловая ширина луча антенны в угломестной плоскости, традиционно, определяется шириной луча при половинной мощности (HPBW) угла луча в угломестной плоскости по отношению к электрической оси такой антенной решетки. В антенной решетке такой структуры, для общего управления шириной луча критичным является позиционирование излучающих элементов, поскольку такие антенные системы зависят от точности амплитуды и фазового угла радиочастотного сигнала, подаваемого на каждый излучающий элемент. Это требует существенных ограничений по допускам и точности механического фазовращателя, для предоставления требуемого деления сигнала между различными излучающими элементами при различных установках угла в угломестной плоскости.
Реально существующие реализации, такие, как наземная телефония, часто требуют антенную решетку с высоким коэффициентом усиления, с отклоненным вниз лучом и/или управлением азимутальной шириной луча, которая может, для достижения данного функционала, включать в себя множество механических фазовращателей. Многоэлементные антенные решетки с высоким коэффициентом усиления хорошо известны в данной области техники (фазированные антенные решетки) и, обычно, включают в себя линейную фазированную решетку с равномерно, либо неравномерно, расставленными излучающими элементами. Управляя фазой и амплитудой возбуждения на каждом излучающем элементе, направлением излучаемого луча и формой луча, излучаемого решеткой, можно динамически управлять.
Обычно, такие высоко-функциональные антенные решетки устанавливают на месте более простых, более легких, и менее функциональных антенных решеток. Таким образом, вес и ветровую нагрузку вновь установленной антенной решетки нельзя существенно увеличивать. Фазовая и амплитудная точность механического фазовращателя, в основном, зависят от его конструкционных материалов. Обычно, реализации высокоточных механических фазовращателей требуют существенные количества относительно дорогих диэлектрических материалов и прочной механической опоры. Такие технологии конструирования приводят к увеличению объема сборки, веса, и стоимости изготовления. Дополнительно, конфигурации механических фазовращателей, разработанных с использованием материалов меньшей стоимости, могут не обеспечить адекватное пассивное подавление внутренней интермодуляции при высоких уровнях мощности радиочастотного сигнала. Следовательно, из-за этих конструктивных ограничений, при различных углах наклона вниз, может возникнуть нежелательное подавление верхнего бокового лепестка. Дополнительные ограничения, относящиеся к подавлению верхнего бокового лепестка, требуют точного амплитудного разделения сигнала для каждого излучающего элемента, использованного в такой антенной решетке, которые, в свою очередь, могут требовать различного амплитудного разделения сигнала в дополнении к фазовому сдвигу, предоставленному таким фазовращателем. Добавление управляемого изменения амплитуды к фазовращателю высокой мощности представляет собой проблему, и дополнительно усложняет его реализацию.
Наземная телефония, такая как сотовые радиосети, широко применяет антенны из антенных решеток для получения улучшенного географического покрытия, для которого требуется заранее знать желательную диаграмму направленности излучения. Диаграмма направленности излучения типичной многоэлементной излучающей решетки может обладать основным лепестком и многочисленными боковыми лепестками. Центр основного лепестка, представляющий собой направление максимального усиления антенны, определяют, как равноудаленный между двумя точками спада на -3 dB.
На основании требований к покрытию сети, операторы сотовых радиосетей часто вынуждены регулировать вертикальную диаграмму направленности излучения антенн, т.е. сечение диаграммы направленности в вертикальной плоскости. Когда требуется, изменение вертикального угла главного луча антенны, также известное как "наклон", используют для регулировки области покрытия антенны. Угол наклона антенны реализуют и механически, и электрически, либо по отдельности, либо совместно, используя возможности для дистанционного управления.
Угол наклона луча антенны можно регулировать механически, путем перемещения антенных элементов по отношению к вертикальной оси, что обычно обозначают как "механический наклон". Как описано выше, угол наклона луча антенны можно регулировать электрически, изменяя фазу сигналов, подаваемых либо принимаемых с каждого излучающего элемента антенной решетки, без перемещения антенной структуры, что обозначают как "электрический наклон". При использовании в сотовой сети, вертикальная диаграмма направленности излучения антенны должна удовлетворять нескольким ключевым параметрам. Во-первых, антенна должна обеспечивать высокий коэффициент усиления по электрической оси, при разумном угле ширины луча. Во-вторых, антенна должна демонстрировать подавление уровней первого и второго верхних боковых лепестков. И, наконец, антенна должна подавлять уровни боковых лепестков ниже установленного лимита во всем диапазоне углов наклона луча вниз.
Вышеуказанные требования являются взаимоконфликтующими. Например, повышение коэффициента усиления по электрической оси может увеличивать боковые лепестки, равно как и углы и уровни боковых лепестков при различных углах наклона вниз. Установлено, что, если уровни первого и второго верхних боковых лепестков меньше, чем -15 dB, можно достигнуть рабочего компромисса общей производительности антенны.
Генерация требуемого угла электрического наклона совместно используемой антенны до сих пор приводила к компромиссам в производительности антенны. Например, коэффициент усиления по электрической оси уменьшается пропорционально косинусу угла наклона, из-за уменьшения эффективной апертуры антенны. Этот эффект неизбежен и имеет место во всех конструкциях антенн. Дополнительное уменьшение коэффициента усиления по электрической оси может произойти в результате способа, используемого для изменения угла наклона.
В традиционной базовой станции (BS) развертывания сотовой сети, антенна, оборудованная электрическим наклоном, соединена через трассу кабеля к подходящему передатчику с множеством несущих. Обычно, передатчики с множеством несущих могут применять отдельные усилители высокой мощности (PAs) с одной несущей, для усиления отдельных несущих сигналов, произведенных приемопередатчиками. Радиочастотные выходные сигналы с усилителей высокой мощности с одной несущей объединяют, используя высоко-изолированные объединители на объемных резонаторах, пропускают через дуплексеры приема-передачи, до подачи в трассу кабеля вышки (или радиочастотный волновод), соединенную со смонтированной на вышке антенной. Такая конфигурация очень неэффективна, поскольку отдельные выходные сигналы с радиочастотных усилителей подвергаются ослаблению из-за потерь, присущих объединителям на объемных резонаторах, дуплексерам, и трассе кабеля вышки, соединяющим вывод усилителя с антенной.
На улучшенной BS можно применять усилители с множеством несущих, которые усиливают отдельные радиочастотные несущие в одном усилителе. Такие усилители мощности с множеством несущих (MCPA) используют линеаризационные схемы, хорошо известные в данной области техники, для предоставления радиочастотного выходного сигнала, обладающего пониженными интермодуляционными искажениями (IMD) и уровнями шума сигнала, из-за нелинейности усиления, присущего MCPA. Однако, потери на трассе кабеля вышки и потери в дуплексерах по-прежнему присутствуют, и их необходимо учитывать. Для дополнительного уменьшения вносимых потерь, присутствующих на трассе кабеля вышки и в дуплексерах, оборудование BS необходимо монтировать как можно ближе к антенне. Для достижения этого, в непосредственной близости от антенны монтируют дистанционный радиоблок (RRH). В RRH, обычно, применяют линеаризованный PA передатчик для предоставления несущих радиочастотных сигналов, одновременно с подавлением интермодуляции и уровней шума сигналов, из-за усиления, создаваемого в секции PA RRH. В секции PA RRH передатчика можно применять множество известных в данной области техники схем линеаризации, для обеспечения подходящего подавления IMD и уровня шума. Во всех вышеупомянутых рабочих развертываниях, объединенный радиочастотный выходной сигнал передатчика с общего антенного порта должен обладать подавлением IMD и уровня шума, как предписывается в соответствующих регуляторных ограничениях. В общем, более высокие уровни объединенных выходных сигналов требуют увеличения подавления IMD и уровня шума, поскольку некоторые из этих норм регламентируют абсолютные уровни мощности, которые нельзя превышать.
Размещение PA высокой мощности в непосредственной близости от антенны приводит к появлению ряда технических сложностей, связанных с линейностью и эффективностью PA, как определено рабочим диапазоном PA на кривых амплитудной характеристики (AM-AM) и амплитудно-фазовой характеристики (AM-PM). В современных сотовых системах применяют сложные радиочастотные сигналы, прошедшие цифровую модуляцию, которые требуют от PA работы с высокой степенью линейности. Поддержка желательной линейности выходного сигнала, одновременно с обеспечением эффективной работы, представляют собой для PA очень желательные характеристики. Эффективность по мощности PA можно рассчитать, разделив общую поданную в нагрузку мощность на общую мощность, поданную на усилитель. В зависимости от класса смещения усилителя, эффективность выходного каскада может быть от 7-10 процентов для усилителей класса A, и до 45 процентов для усилителей класса Доэрти. К сожалению, существует компромисс между линейностью и производительностью в PA, например, PA высокого рабочего класса линейности (например, класса A) обычно являются наименее эффективными по мощности, по сравнению с обладающим аналогичными возможностями классом AB. Дополнительно, для функционирования в условиях монтажа на вышках требуются высокоэффективные усилители, поскольку традиционные технологии принудительного воздушного охлаждения увеличивают размер и снижают надежность (т.к. вентиляторы, выставленные в окружающую среду, имеют тенденцию выходить из строя). В предыдущих попытках, оказалось сложным достигнуть поддержание работы PA в высокоэффективном режиме, в связи с динамическими свойствами усиленных сигналов, дополнительно усложненных наклоном антенного луча.
В документе «Antenna Engineers Handbook», R. С. Johnson, 3-е изд., 1993, McGraw Hill, ISBN 0-07-032381-X, в главе 20, на фиг.20-2 описан широко известный способ для регулирования электрического угла наклона вниз фазированной антенной решетки. Подходящий радиочастотный (RF) несущий сигнал подают на входной порт антенной решетки с передатчика, и разделяют между излучающими элементами антенны. Каждый излучающий элемент запитывают с соответствующего переменного фазовращателя так, чтобы фазу сигнала можно было точно регулировать для изменения электрического угла наклона вниз антенной решетки. Как отмечено ранее, делением мощности между излучающими элементами должно быть управляемым, для обеспечения удовлетворительных уровней боковых лепестков для заданного коэффициента усиления по электрической оси. Очень желательно поддерживать фазовый фронт для всех углов наклона вниз так, чтобы уровни боковых лепестков не превышали установленные пределы. Однако этого очень сложно достигнуть, поскольку на практике фазовращатели демонстрируют изменение вносимых потерь по всему диапазону установок сдвига фазы, таким образом, внося неточности в разделение радиочастотного сигнала - внося свой вклад в увеличение уровней боковых лепестков. Следовательно, существует необходимость в предоставлении более простого способа регулировать наклоненный вниз антенный луч, в то же время, предоставляя повышенное подавление верхних боковых лепестков.
Сущность изобретения
Задачей настоящего изобретения является предоставление регулируемой антенны с изменяемым наклоном луча, в которой применяют адаптивные предварительные искажения с высокоэффективными модулями усилителей мощности, для достижения линейного усиления сигнала и формирования луча.
При выполнении этих и других задач, функциональных возможностей и преимуществ настоящего изобретения, для беспроводной сетевой системы предоставляют антенную решетку с изменяемым наклоном луча, снабженную радиочастотным усилителем мощности.
В первом аспекте, в настоящем изобретении предоставляют систему передатчиков и антенн с компенсированным предварительным искажением. На вход принимают входной цифровой сигнал связи. Цифровое радио принимает входной цифровой сигнал связи и предоставляет радиочастотный сигнал. Первый предысказитель принимает радиочастотный сигнал и выполняет первую операцию предварительного искажения радиочастотного сигнала, и предоставляет первый предварительно искаженный радиочастотный сигнал. Первый усилитель принимает и усиливает первый предварительно искаженный радиочастотный сигнал и предоставляет первый усиленный радиочастотный сигнал. Первый излучающий элемент электрически соединен для приема первого усиленного радиочастотного сигнала. Второй предысказитель принимает радиочастотный сигнал и выполняет вторую операцию предварительного искажения радиочастотного сигнала, и предоставляет второй предварительно искаженный радиочастотный сигнал. Второй усилитель принимает и усиливает второй предварительно искаженный радиочастотный сигнал и предоставляет второй усиленный радиочастотный сигнал. Второй излучающий элемент электрически соединен для получения второго усиленного радиочастотного сигнала. Цифровое радио, первый и второй предысказитель, первый и второй усилитель, и первый и второй излучающий элемент сконфигурированы в местоположении излучения антенны в непосредственной близости друг с другом.
В предпочтительном варианте осуществления настоящего изобретения, каждый из первого и второго предысказителя выполняет аналоговое предварительное искажение амплитуды и фазы радиочастотного сигнала. Каждый из первого и второго усилителя содержит усилитель мощности, смещенный для работы в режиме высокой эффективности. Первый адаптивный контроллер предоставляет первые сигналы управления амплитудой и фазой для первого предысказителя, и второй адаптивный контроллер предоставляет вторые сигналы управления амплитудой и фазой для второго предысказителя. Каждый из первого и второго излучающего элемента содержит два излучающих элемента с перекрестной поляризацией. Первый и второй усилители охлаждаются пассивно.
В другом аспекте, настоящее изобретение предоставляет систему передатчиков и антенн с компенсированным предварительным искажением, обладающую способностью формирования луча. На вход принимают входной сигнал. Сеть регулировки амплитуды и фазы предоставляет первый сигнал управления амплитудой и фазой для формирования луча, и второй сигнал управления амплитудой и фазой для формирования луча. Первый адаптивный модуль предварительного искажения принимает входной сигнал и первый сигнал управления амплитудой и фазой для формирования луча, выполняет операцию предварительного искажения на входном сигнале, и предоставляет первый предварительно искаженный входной сигнал. Первый усилитель усиливает первый предварительно искаженный входной сигнал и предоставляет первый усиленный сигнал как первый выходной сигнал, причем первый адаптивный модуль предварительного искажения находится в непосредственной близости к первому усилителю. Первый излучающий элемент электрически соединен с первым выходным сигналом. Второй адаптивный модуль предварительного искажения принимает входной сигнал и сигнал управления амплитудой и фазой для формирования луча, выполняет операцию предварительного искажения на входном сигнале, и предоставляет второй предварительно искаженный входной сигнал. Второй усилитель усиливает второй предварительно искаженный входной сигнал и предоставляет второй усиленный сигнал как второй выходной сигнал, причем второй адаптивный модуль предварительного искажения находится в непосредственной близости ко второму усилителю. Второй излучающий элемент электрически соединен со вторым выходным сигналом.
В предпочтительном варианте осуществления настоящего изобретения, входной сигнал представляет собой аналоговый модулированный радиочастотный сигнал, и первый адаптивный модуль предварительного искажения выполняет первое предварительное искажение амплитуды и фазы входного сигнала, и второй модуль предварительного искажения выполняет второе предварительное искажение амплитуды и фазы входного сигнала. Первый адаптивный модуль предварительного искажения, первый усилитель, первый излучающий элемент, второй модуль предварительного искажения, второй усилитель, и второй излучающий элемент охлаждаются пассивно. Первый сигнал управления амплитудой и фазой для формирования луча независим от второго сигнала управления амплитудой и фазой для формирования луча.
В другом аспекте, настоящее изобретение предоставляет способ для адаптивного предоставления антенного луча системы передатчиков и антенн, обладающей множеством режимов формирования луча. Принимают входной радиочастотный сигнал. Принимают сигнал управления, соответствующий первому режиму формирования луча. Определяют ожидаемую интенсивность сигнала первого излучающего элемента для радиочастотного сигнала для первого режима формирования луча. Входной радиочастотный сигнал искажают, на основании ожидаемой интенсивности сигнала первого излучающего элемента для формирования первого предварительно искаженного сигнала. Первый предварительно искаженный сигнал усиливают, для формирования первого выходного сигнала. Первый выходной сигнал электрически соединяют с первым излучающим элементом. Определяют ожидаемую интенсивность сигнала второго излучающего элемента для радиочастотного сигнала для первого режима формирования луча. Входной радиочастотный сигнал искажают, на основании ожидаемой интенсивности сигнала второго излучающего элемента для формирования второго предварительно искаженного сигнала. Второй предварительно искаженный сигнал усиливают, для формирования второго выходного сигнала. Второй выходной сигнал электрически соединяют со вторым излучающим элементом. Из испущенного первым и вторым излучающими элементами излучения генерируют первую диаграмму направленности луча.
В предпочтительном варианте осуществления изобретения, с дистанционного местоположения базовой станции принимают цифровой входной сигнал, и преобразуют в радиочастотный, для предоставления радиочастотного входного сигнала в местоположении системы передатчиков и антенн. Усиление первого и второго предварительно искаженного сигнала, для формирования первого и второго выходного сигнала дополнительно содержит управление первым и вторым усилителем для работы в режиме высокой эффективности. Принимают сигнал управления, соответствующий второму режиму формирования луча. Определяют ожидаемые интенсивности сигналов первого и второго излучающего элемента для радиочастотного сигнала для второго режима формирования луча. На основании ожидаемых интенсивностей сигналов первого и второго излучающего элемента для радиочастотного сигнала для второго режима формирования луча, выполняют разные операции первого и второго предварительного искажения. Первым и вторым усилением управляют, регулируя смещение первого и второго усилителя, на основании ожидаемых интенсивностей сигнала первого и второго излучающего элемента для радиочастотного сигнала для второго режима формирования луча. Определяют относительное значение фазы и относительное значение амплитуды для первого режима формирования луча. Путем применения относительного значения фазы и относительного значения амплитуды для первого режима формирования луча, определяют ожидаемую интенсивность сигнала первого и второго излучающего элемента для радиочастотного сигнала для первого режима формирования луча. Относительное значение фазы и относительное значение амплитуды определяют путем определения относительного значения фазы и относительного значения амплитуды, наклоняющих первую диаграмму направленности луча до предварительно определенного направления. Относительное значение фазы и относительную амплитуду определяют путем определения относительного значения фазы и относительного значения амплитуды, минимизирующих верхний боковой лепесток первой диаграммы направленности луча. Относительное значение фазы и относительную амплитуду определяют путем определения относительного значения фазы и относительного значения амплитуды, максимизирующих коэффициент усиления главного лепестка излучения первой диаграммы направленности луча. Относительное значение фазы и относительную амплитуду определяют путем определения относительного значения фазы и относительного значения амплитуды, обеспечивающих нулевое заполнение межлепесткового пространства первой диаграммы направленности луча.
Вышеприведенное представляет собой краткую неограничивающую сущность целей и аспектов изобретения. Дополнительные признаки и преимущества настоящего изобретения будут очевидны из нижеприведенного подробного описания изобретения.
Краткое описание чертежей
На фиг.1А представлены смоделированные вертикальные диаграммы направленности излучения антенны для вертикально расположенной антенной решетки, обладающей возможностью электрического наклона вниз, установленного в 0 (нулевой) и максимальный углы наклона вниз с оптимизированным подавлением первого верхнего бокового лепестка (P1-US1).
На фиг.1B представлены смоделированные вертикальные диаграммы направленности излучения вертикально расположенной антенной решетки, обладающей возможностью электрического наклона вниз, установленного в 0 и максимальный углы наклона вниз с оптимизацией коэффициента усиления в прямом направлении.
На фиг.1C представлены смоделированные вертикальные диаграммы направленности излучения вертикально расположенной антенной решетки, обладающей возможностью электрического наклона вниз, установленного в 0 и максимальный углы наклона вниз с оптимизацией для первого верхнего бокового лепестка (P1-US1) и нулевого заполнения.
На фиг.2 приведена схема антенной решетки традиционной конструкции, обладающей возможностью наклона луча вниз, включая межсоединения с базовой станцией для фазовращателя с дистанционным управлением.
На фиг.3 приведен вид спереди многоэлементной антенной решетки с перекрестной поляризацией, с компенсированным предварительным искажением, в соответствии с предпочтительным вариантом осуществления настоящего изобретения.
На фиг.4 приведена схема для антенной решетки с компенсированным предварительным искажением, в соответствии с предпочтительным вариантом осуществления настоящего изобретения.
На фиг.5 представлена схема двойного излучающего элемента, излучающего модуля, управляемого предварительным искажением, в соответствии с предпочтительным вариантом осуществления настоящего изобретения.
На фиг.6 изображено относительное амплитудное распределение между излучающими элементами антенной решетки с компенсированным предварительным искажением, для различных диаграмм направленности излучения в соответствии с предпочтительным вариантом осуществления настоящего изобретения.
На фиг.7 изображено относительное фазовое распределение между излучающими элементами антенной решетки с компенсированным предварительным искажением, для различных диаграмм направленности излучения в соответствии с предпочтительным вариантом осуществления настоящего изобретения.
На фиг.8 представлена схема верхнего уровня радиочастоты для двухэлементного излучающего модуля, в соответствии с предпочтительным вариантом осуществления настоящего изобретения.
На фиг.9 представлена схема антенной решетки с перекрестной поляризацией, в соответствии с предпочтительным вариантом осуществления настоящего изобретения.
На фиг.10 представлена схема сети интеллектуального деления фазы и амплитуды передачи ввода-вывода, и интерфейсы в соответствии с предпочтительным вариантом осуществления настоящего изобретения.
Подробное описание изобретения
Будут делаться ссылки на приложенные чертежи, которые помогут при иллюстрации различных подходящих признаков настоящего изобретения. В связи с многократным размещением и использованием идентичных элементов в параллельных трактах, ссылки на эти метки могут производиться без суффиксов a или b, поскольку суффикс указывает на любой из релевантной пары элементов, и ссылка осуществляется без различия между ними. Далее будет описано настоящее изобретение, в основном при решении вышеописанных проблем, относящихся к использованию двойных элементов с компенсированным предварительным искажением.
Необходимо ясно понимать, что настоящее изобретение может быть применимо в других применениях, в которых требуется либо желателен угол наклона или управление шириной луча. В этом отношении, нижеследующее описание антенной решетки с двойной поляризацией с компенсированным предварительным искажением представлено для иллюстративных и описательных целей. Более того, описание не предназначено для ограничения изобретения формой, раскрытой в настоящем документе. Соответственно, варианты и изменения, не противоречащие нижеприведенному описанию, и опыт и знания в данной области техники, находятся в области действия настоящего изобретения. Варианты осуществления, описанные в настоящем документе, дополнительно предназначены для объяснения режимов применения, известных для практического осуществления изобретения, раскрытого в данном документе, и для обеспечения возможности для других специалистов в данной области техники использовать изобретение в эквивалентных, или иных, вариантах осуществления и с различными модификациями, необходимыми для конкретного применения(ий) или использования(ий) настоящего изобретения. Представленная антенна подходит для приема и передачи радиочастотных (RF) сигналов, и должно быть понятно, что поток сигналов взаимодополняющий и двунаправленный, если явно не указано иное.
Один или более вариантов осуществления настоящего изобретения применяет модули предварительного искажения и усилители мощности, расположенные в непосредственной близости к совместно питаемым излучающим элементам. Решетку PA-антенных модулей объединяют для формирования антенной решетки формирования луча. Требования по линеаризации для каждой PA уменьшаются, из-за низкой рабочей мощности каждого PA. Форму испускаемого излучения можно специально изменять, изменяя случайную радиочастотную амплитуду и фазу, подаваемые на каждый излучающий модуль. Использование модулей предварительного искажения уменьшает потребление мощности PA, поскольку применяют PA большей эффективности, одновременно поддерживая IMD и паразитные уровни в рамках установленных спецификаций. Каждый модуль предварительного искажения можно независимо устанавливать для изменения фазы и амплитуды результирующего корректировочного сигнала, используемого для линеаризации усиленного сигнала. В результате, происходит суммирование IMD от всех излучающих модулей при формировании низкого луча, поскольку любой шум, внесенный каждым независимым модулем предварительного искажения, будет обладать случайной фазой, которая не будет конструктивно создавать помехи в результирующем волновом фронте. Здесь можно применить объяснения, относящиеся к модулям предварительного искажения, ранее раскрытые в патенте США № 7288988 (автор Braithwaite), и раскрытие такого патента включено в настоящий документ данной ссылкой.
Как показано на фиг.4, в первом предпочтительном варианте осуществления изобретения, шесть пар идентичных излучающих элементов с перекрестной поляризацией (112, 114), (212, 214), (312, 314), (412, 414), (512, 514), (612, 614), расставляют в общие парные группы CA1, CA2, CA3, CA4, CA5, CA6, соответственно. Применение шести пар не является ограничивающим фактором, так как можно использовать любое количество пар. Как показано на фиг.8 и 9, первая общая парная группа (CA1) содержит первый излучающий элемент с перекрестной поляризацией (112) и второй излучающий элемент с перекрестной поляризацией (114). Каждая секция излучающего элемента с перекрестной поляризацией (112a, 114a, или 112b, 114b) излучающих элементов (112, 114) соединена с двухпортовой разделяющей сетью с фиксированным соотношением (116a или 116b) с общим портом (CFP-10a CFP-10b). Традиционно, одному порту назначают поляризацию +45 градусов (CFP-10a), и второму порту поляризацию -45 градусов (CFP-10b). Эти две половины идентичны во всех остальных отношениях, и ссылки в настоящем документе будут даны на поляризацию +45 градусов, но те же рабочие принципы равно относятся и к поляризации -45 градусов.
Дуплексер 118 (порт ANT) функционально соединен с общим портом CFP-10a, для обеспечения функционала одновременной передачи и приема. В тракте передачи, в непосредственной близости от дуплексера 118, предоставляют управляемый предварительным искажением модуль 120 усилителя мощности, с его выводом 150, соединенным с портом передачи упомянутого дуплексера 118. Как показано на фиг.9, в тракте приема предоставлен низкошумный усилитель (LNA) 122, обладающий входным портом 160, соединенным с приемным портом упомянутого дуплексера 118. Фильтр дуплексера 118 предоставляет подходящую фильтрацию радиочастотного сигнала для тракта приема и передачи, для обеспечения одновременной работы и изоляции для радиочастотных сигналов восходящего канала и нисходящего канала. Для улучшения коэффициента шума и чувствительности приемника, в активной антенной решетке 10 предоставляют LNA 122. Вывод сигнала LMA соединен с выходным портом 128 LNA. LNA 122 снабжают контроллером 168 управления. В одном или более вариантах осуществления настоящего изобретения, LNA 122 содержит соединитель 162, усилители 164 и 166, соединитель 170, и контроллер 168.
Как показано на фиг.9, модуль 120 усилителя мощности, управляемый предварительным искажением, предоставляет усиление радиочастотного сигнала нисходящего канала. Входной радиочастотный порт 126 соединен с первым направленным соединителем 132, который дискретизирует входной радиочастотный сигнал, и соединен со входным портом 126. Первый направленный соединитель 132 предоставляет дискретизированный входной сигнал во входной модуль 134 детектирования. Модуль 134 детектирования предоставляет информацию о фазе и амплитуде модулю 138 контроллера. Входной порт адаптивного модуля 136 предварительного искажения функционально соединен с выходным портом первого направленного соединителя 132. Модуль 136 предварительного искажения реагирует на сигналы управления с модуля 138 контроллера и наблюдаемый дискретизированный радиочастотный сигнал 146 с вывода направленного соединителя 142, для предоставления соответствующего предварительно искаженного сигнала на каскад усиления (140, 142), для создания линеаризованного усиленного радиочастотного сигнала 150. Выходной радиочастотный сигнал дискретизируют выходным соединителем 142, предоставляющим дискретизированный радиочастотный сигнал в модуль 144 выходного детектора. Модуль 144 выходного детектора предоставляет уровни прямого и обратного сигналов, а также информацию о прямой фазе на контроллер 138. Модуль 138 контроллера предоставляет сигналы управления на вышеупомянутый адаптивный модуль 136 предварительного искажения и каскады усиления (140, 142), отслеживая наблюдаемые входные сигналы. Модуль 138 контроллера сообщает рабочие параметры, при помощи цифрового интерфейса 124, на интеллектуальную сеть 704a деления фазы и амплитуды ввода-вывода передачи. Для сигналов на восходящем канале, усиленных модулем 128 LNA, предоставляют комплементарную сеть 706a ввода-вывода приема. На фиг.5 проиллюстрировано, что каждый из модулей усилителей мощности, управляемых предварительным искажением, 210a, 310a, 410a, 510a, и 610a, содержит цепь, сконфигурированную аналогично модулю 110 усиления мощности, управляемому предварительным искажением, и соединен с активными модулями CA1, CA2, CA3, CA4, CA5, и CA6. Модуль 610 усиления мощности предварительного искажения содержит входной радиочастотный порт 626, цифровой интерфейс 624, и дуплексер 618. Активный модуль CA6 содержит сеть 616a и 616b деления, и излучающие элементы 612 и 614.
На фиг.4 представлена схема межсоединений активной антенной решетки 10 (AAA). AAA снабжена высокоскоростным интерфейсом 104, который соединен с цифровым радиомодулем (DR) 700. Модуль DR 700 предоставляет, вместе с контрольными функциями, использующимися для управления и наблюдений, преобразование цифрового сигнала в радиочастотный. Блок питания (PSU) 702 соединен с портом 106 питания. DR 700 предоставляет радиочастотные сигналы для передачи в направлении нисходящего канала (DL). (т.е. от AAA 10 к мобильным пользователям (MU)) и направлении восходящего канала (т.е. от MU к AAA). Радиочастотные сигналы DL канала, предоставленные от DR 700, соединены с сетью 704a интеллектуального деления фазы и амплитуды (IPA) ввода-вывода передачи, вместе с данными о требуемом режиме формирования луча (P1, P2, P3,... Pn) на отдельной линии управления. Сеть ввода-вывода передачи взаимодействует с активными модулями 110, 210, 310, 410, 510, и 610, через радиочастотные порты 126, 226, 326, 426, 526, 626, и интерфейсы 124, 224, 324, 424, 524, и 624, соответственно.
На фиг.3 представлен схематичный вид спереди активной антенной решетки (AAA) 10. В предпочтительном варианте осуществления настоящего изобретения, такую AAA 10 конструируют с использованием рефлектора 102 прямоугольной формы, предоставляющего подходящую для шести двухэлементных активных модулей 110, 210, 310, 410, 510, 610, отражающую плоскость. Количество активных модулей 110, 210, 310, 410, 510, 610 зависит от конструктивных критериев, которые включают в себя вышеупомянутые требования к конструкции и компромиссы. Каждый активный модуль 110-610, дополнительно использует пару излучающих элементов с перекрестной поляризацией 112, 114, 212, 214, 312, 314, 412, 414, 512, 514, 612, 614, которые, обычно, располагают вдоль продольной центральной оси P0 отражателя 102. Общие активные модули (CAM) могут обладать отдельно размещенными излучающими элементами, так что расстояния между элементами могут быть неравными, однако, в своей основной массе, промежутки между излучающими элементами Vs1, Vs2, Vs3, Vs4, Vs5, Vs6 одинаковы. Аналогично, промежутки соседнего активного модуля Sg1, Sg2, Sg3, Sg4, Sg5 могут быть неравными, но, в примерном варианте осуществления изобретения, размеры промежутков Sg могут быть равноудалены и равны размерам межэлементных промежутков Vs. Предоставляют подходящий высокоскоростной интерфейс 104, который используют для канала оцифрованных радиочастотных сигналов к и от AAA 10, вместе с контрольными сигналами управления, которые используют для управления и отслеживания за работой AAA 10. Для доставки требуемой мощности на цепи AAA 10 предоставляют разъем 106 питания.
На фиг.1A представлены две вертикальные диаграммы направленности 32a и 32b излучения AAA 10, обладающей плоским прямоугольным отражателем 102, расположенным снаружи вдоль оси X, которые предоставлены для иллюстрирования концепции наклона луча излучения. AAA 10 использует плоский отражатель 102 и его геометрический центр определен вдоль его вертикальной оси (оси Z), проходящей вдоль задней стороны пластины отражателя 102. Две вертикальные диаграммы направленности 32a и 32b излучения AAA 10 соответствуют нулевой и максимальной установке сдвига фазы, примененной к отдельным сигналам излучающих элементов. Когда сдвиг фазы сигнала установлен в минимум (ноль), основной лепесток 32a центрирован по центральной линии, или «электрической оси», 30a, которая соответствует оси X антенны 10. Дополнительно к диаграмме направленности главного луча 32 излучения, идентифицированы первый верхний боковой лепесток (USL) 34, второй USL 36, и верхний и первый нижний боковые лепестки 38, для указания их относительного направления (30, 40 при угле Ф1 по отношению к оси x, 42 при угле Ф2 по отношению к оси x, 44 при угле Ф3 по отношению к оси x) и относительной амплитуде US1, US2, LS1 к направлению электрической оси 30 для главного луча 32. Проиллюстрирован максимально отклоненный вниз луч 32b излучения, с его электрической осью 30b, и сравнен с минимально отклоненным лучом 32a излучения, с его электрической осью 30a.
Когда антенну используют в сотовой сети, необходимо удовлетворять нескольким ключевым параметрам. Во-первых, антенна должна предоставлять высокий коэффициент усиления по электрической оси, при достаточном угле ширины луча. Во-вторых, антенна должна подавлять первый USL 34 и второй USL 36 во избежание вредного создания помех для мобильных пользователей (MU) в соседних установленных сотах. И в-третьих, относительные амплитуды US1, US2, и углы Ф1, Ф2 отклонения USL 34 и 36 должны оставаться в установленных пределах, когда антенна электрически наклоняется во всем диапазоне углов наклона. В реализации антенны на практике, удовлетворение этих требований затруднено, так как, например, увеличение коэффициента усиления по электрической оси увеличивает амплитуду боковых лепестков 34, 36, и 38. Эффективное управление боковыми лепестками может потребовать небольшого уменьшения коэффициента усиления по электрической оси, который уменьшается пропорционально косинусу угла наклона главного луча, возникающего при уменьшении эффективной апертуры антенны. В зависимости от диапазона углов наклона вниз, может потребоваться дополнительное уменьшение коэффициента усиления по электрической оси.
На фиг.1A, 1B и 1C изображены различные режимы формирования вертикального луча (P1, P2, P3), предложенные в одном или более варианте осуществления настоящего изобретения. Возможны также дополнительные режимы формирования вертикального луча. Например, рассмотрим первый USL 34a (т.е. P1-US1a), при установке угла наклона вниз в 0 градусов. В режиме P1, первый USL 34a существенно уменьшен (<20 dB), по отношению к главному лепестку 32a излучения. Когда антенну устанавливают в положение максимального наклона вниз, излучение энергии с антенны не представляет сигналы помех с первого USL 34b в близлежащие секторы. В других рабочих случаях, может потребоваться высокий коэффициент усиления по электрической оси (режим P2). При конфигурации в режим P2, как показано на фиг.1b, подавление первого USL 34a (т.е. P2-US1a), по сравнению с режимом P1 обычно хуже. Режим P2 может оказаться вторгающимся в близлежащие секторы при наклоне вниз, поскольку уровни сигнала USL P2-US1b при наклоне вниз могут быть излишни. Также, режим P2 проявляется в несколько более узком вертикальном угле луча при половинной мощности (HPB) P2-Ф1. Режим P2, в основном, предназначен для связи с нечастыми отдаленными пользователями, или в случае работы в чрезвычайных обстоятельствах, где может потребоваться покрытие сектора на большую дистанцию, в других случаях не требуемое. Как показано на фиг.1C, режим P3 выполнен для предоставления практически равномерного покрытия в непосредственной близости от установленной соты. Режим P3 предоставляет нулевое заполнение межлепесткового пространства, что уменьшает вариативность сигнала на близком расстоянии от места установки соты, вне зависимости от угла наклона (Ф1а-Ф1b), настолько сильное, что первый нижний боковой лепесток P3-LS1a перекрывается с основным лучом 30a так, что вертикальный наклон луча не приводит к повышенной вариативности сигнала для мобильных пользователей (MU) в непосредственной близости от места установки соты. Особенно полезен режим P3 при обеспечении покрытия больших скоплений, таких, как концерты или спортивные мероприятия, где рядом с местом установки соты находится большое количество MU. Также, режим P3 предоставляет несколько более широкий (HPB) P3-Ф1, равно как и адекватный первый USL P3-US1a для всех углов наклона. При помощи представленной антенны можно с легкостью создавать и реализовывать дополнительные диаграммы направленности излучения и режимы, не изменяя конструкцию антенны.
На фиг.6 и 7 представлена обработка относительной амплитуды и фазы радиочастотных сигналов DL, соединенных с каждым модулем CAM. На фиг.6 представлены сигналы относительной радиочастотной амплитуды, предоставленные на каждый из излучающих элементов. Из-за использования излучающих элементов двойной конструкции (112, 114), но обладающих общим питанием, во взаимоспаренных излучающих элементах, равно как и между смежными парами, присутствуют определенные ошибки амплитуды и фазы. На практике, эти ошибки вносят лишь незначительный вклад в общую неточность диаграммы направленности, и для больших решеток элементов эта ошибка очень мала.
Для достижения управления радиочастотной фазой и амплитудой для каждого модуля CAM, на фиг.10 представлена сеть 704 интеллектуального распределения фазы и амплитуды (IPA). Для нисходящего канала, радиочастотные сигналы соединены от вывода цифрового радио (DR) 700, через делитель 714, который предоставляет равное деление сигнала на каждую из шести фазо/амплитудных (и, возможно, задерживающих) сетей регулировки (718, 722, 724, 726, 728, 730), которые раздельно управляются микропроцессором (MPU) 716. Несколько отличающиеся, но аналогичной конструкции IPA (706) приема используются для соединения радиочастотных сигналов UL, принятых с отдельных модулей CAM обратно на приемник DR 700. В некоторых реализациях, IPA приема и передачи могут использовать общий MPU, однако в данном описании они показаны как раздельные. Дополнительно, MPU 716 связан с управляющей логикой DR 700, которая сообщает MPU 716 о выборе режима. Можно также внести дополнительную управляющую логику, либо конфигурации режимов луча, для случаев полного или частичного выхода из строя одного или более CAM модулей, т.к. это позволит продолжить работу антенны с несколько меньшими возможностями, до предоставления ремонта и обслуживания. Такой модуль, в дополнение к избыточному блоку питания (PSU) 702, и подготовке финальной сборки для неблагоприятных условий, можно применить для увеличения MTBF AAA.
Как показано на фиг.4, 9 и 10, MPU 716 связан с каждым из контроллеров 138, связанных с каждым CAM модулем 110, 210, 310, 410, 510 и 610. Как показано, каждый CAM модуль оборудован дуплексером 118, позволяющим функционировать обычному в современных сотовых сетях дуплексу с частотным разделением (FDD), при котором BS передает на одном наборе частот, в то время как принимает сигналы, переданные MU, на другом наборе частот. Необходимо понимать, что AAA можно легко адаптировать для работы в дуплексе с временным разделением (TDD), заменив дуплексер 118 на подходящий переключатель изменения (перехода) приема-передачи, и вентиль входной цепи приемника, для предотвращения повреждения LNA приемника передаваемыми сигналами высоких уровней мощности. В отличии от FDD, в котором используют две разных полосы частот, разделенных защитной полосой, TDD можно использовать для передач данных, передавая, при работе на одних и тех же несущих частотах, короткие последовательности данных в каждом направлении.
Как показано на фиг.6, в зависимости от выбранного режима луча (P1, P2, P3 или иного режима), уровни мощности передачи с каждого CAM модуля могут существенно различаться. Настоящее изобретение предоставляет функциональные преимущества, используя адаптивное предварительное искажение (APD) 136 с помощью каждого PA каскада 140 и 142, используемого в CAM модулях. Контроллер 138 CAM модуля направляет рабочие параметры обратно на MPU 716. Поскольку все CAM модули идентичны, легко достигнуть простоты конструкции, но, функционально, MPU 716 предоставляет ожидаемые параметры уровней сигнала на каждый CAM модуль, на основании выбранного режима луча. Для каждого CAM контроллера 138, как только режим работы принят, контроллер предоставляет оптимальную конфигурацию предварительного искажения на APD 136, в то же время отслеживая входной 134 и выходной 144 детекторы. Дополнительно, контроллер 138 может изменять смещение или подавать напряжение на каждый каскад 140, 142 усиления, как требуется для соответствия конфигурации выбранного режима (P1, P2, P3, или иного режима), одновременно предоставляя оптимальную эффективность и линейность с каскадов 140 и 142 усиления. Можно достигнуть дополнительной оптимизации работы CAM, поскольку контроллер 138 может автоматически обновлять и сохранять эталонные таблицы, на основании наблюдаемых сигналов для каждого режима работы луча и угла наклона вниз.
На фиг.9 представлена диаграмма примерного CAM 110. Теперь будет описан прием UL сигнала. Прием радиочастотного сигнала достигается парой радиаторов 112 и 114 с перекрестной поляризацией, соединенных с двунаправленным делителем/объединителем сигнала 116. Объединенные сигналы, с каждого элемента 112, 114, соединяют к порту ANT дуплексера 118. Дуплексер 118 предоставляет развязку между тракта приема и передачи, предоставляя независимое прохождение для каждой группы радиочастотных сигналов (передачи или приема). Сигналы приема соединяют с вводом 160 низкошумного усилителя (LNA) 122. LNA может включать в себя любое количество конфигураций или конструкций цепей. Описание цепей LNA опущено. Не противореча вышеуказанному, усиленные 128 сигналы приема соединяют с соответствующими входными портами IPA 706 приема (128, 228, 328, 428, 528 и 628). IPA 706 приема сконфигурирован аналогично IPA 704 передачи, но радиочастотный сигнал (UL) движется в обратном направлении. Активные модули 110, 210, 310, 410, 510 и 610 электрически соединены с IPA 706 приема, посредством портов 130, 230, 330, 430, 530 и 630. Необходимо отметить, что соответствующие пары (передачи-приема) блоков сдвига фазы и амплитуды сконфигурированы идентично, с одинаковыми настройками. Тракт сигналов приема отражает тракт передачи.
Как дополнительная иллюстрация к уровню техники, обращаясь к фиг.2, представлена схема, на которой представлены межсоединения между антенной связи традиционной конструкции, оборудованной дистанционно управляемым электрическим фазовращателем 25 и традиционной базовой станцией. Антенна связи традиционной конструкции, используемая для передачи и приема сотовой связи, использует фазовращатель 25, который предоставляет требуемые изменяемые сдвиги фазы, равно как и разделение сигнала с общего радиочастотного порта Pi на радиочастотные порты ввода-вывода (P0-P4). Дистанционно управляемый Pc фазовращатель 25 оборудован общим радиочастотным портом Pi и пятью радиочастотными портами распределения P0-P4, которые соединены, при помощи подходящих радиочастотных проводников (таких как кабели, микрополоски, и тому подобное) F0-F4 с излучающими субмодулями 20-24. Как показано, имеются два различных типа излучающих субмодулей: три двойных 20, 22, 24 и два тройных 21, 23 субмодуля излучающих элементов. Различная группировка излучающих элементов позволяет удобно делить сигналы и облегчает производство, но возможна также иная конструкция равных или не равных субмодулей. Вновь обращаясь к излучающим субмодулям 20-24, каждый из которых обладает фиксированным, но с различным соотношением, делителем D0-D4 радиочастотного сигнала с общим портом (не указан явно) для приема и передачи сигналов при помощи соответствующих радиочастотных проводников F0-F4. Каждую сеть D0-D4 делителя используют для предоставления требуемого деления сигнала для отдельного излучающего элемента (все E0-E4) для достижения амплитудного градиента сигнала, полезного для наклона вниз луча, одновременно поддерживая адекватную производительность подавления верхнего бокового лепестка.
При обычной работе в дуплексе с частотным разделением (FDD), приемопередатчик передачи BS предоставляет радиочастотные сигналы для передачи с BS на MU, обычно называемой нисходящим направлением, на предварительно определенной частоте, одновременно MU может осуществлять связь (в восходящем направлении) на BS на другой частоте. Дуплекс с частотным разделением обозначает, что передатчик TX и приемник RX работают одновременно на различных несущих частотах. Два набора радиочастотных сигналов проходят от и к антенне, при помощи коаксиальной трассы, соединяющей дуплексер BS с радиочастотным портом Pi антенны. В зависимости от установленной длины трассы коаксиального кабеля, может возникнуть ослабление сигнала, существенно влияющее на производительность такой станции сотовой сети. Для преодоления потерь на трассе коаксиального кабеля, обычной практикой является использование больших, более мощных усилителей для передатчиков, и более чувствительных приемников - которые могут быть непозволительно дороги и велики. Для минимизации эффекта потерь сигнала очень выгодно уменьшить или ликвидировать потери на трассе коаксиального кабеля.
Настоящее изобретение было описано, в основном, для применения адаптивного предварительного искажения с высокоэффективными усилителями мощности, для достижения линейного усиления сигнала и формирования луча. В этом отношении, предыдущее описание адаптивного предварительного искажения и высокоэффективных усилителей мощности представлено для целей иллюстрирования и описания. Кроме того, описание не предназначено для ограничения изобретения до вида, раскрытого в настоящем документе. Соответственно, варианты и изменения, консистентные с приведенным описанием, опытом и знаниями в данной области, попадают в объем настоящего изобретения. Варианты осуществления, описанные в настоящем документе, дополнительно предназначены для объяснения типов применения изобретения, раскрытого в настоящем документе, и для обеспечения возможности для других специалистов в данной области техники использовать изобретение в эквивалентном, или иных вариантах осуществления и с различными изменениями, возможно необходимыми в определенном применении(ях) или использовании(ях) настоящего изобретения.