СКАНИРУЮЩАЯ АНТЕННАЯ РЕШЕТКА, БАЗОВАЯ СТАНЦИЯ, СЕТЬ БЕСПРОВОДНОЙ СВЯЗИ И СПОСОБ ФОРМИРОВАНИЯ ДИАГРАММЫ НАПРАВЛЕННОСТИ
SCANNING ANTENNA ARRAY, BASIC STATION, WIRELESS COMMUNICATION NETWORK AND METHOD FOR FORMATION OF DIRECTIVITY PATTERN

Область техники, к которой относится изобретение
Настоящее изобретение относится к антенной технике, в частности к сканирующей антенной решетке, предназначенной для пространственного разделения каналов в сети беспроводной связи, базовой станции, сети беспроводной связи и способу формирования диаграммы направленности.
Уровень техники
В современных сетях мобильной связи наблюдается тенденция использования антенных решеток, содержащих множество излучающих элементов. Управляя фазой и амплитудой возбуждения на каждом излучающем элементе, можно динамически управлять направлением излучаемого луча и формой луча, излучаемого решеткой, или, иными словами, формировать многолучевую диаграмму направленности (ДН), что позволяет обеспечить многоканальный доступ к сети.
1
n
Одним из типовых решений для многолучевого разделения каналов связи является так называемая «интеллектуальная» антенна (Smart Antenna), широко описанная в литературе, например, в “Antenna Theory analysis and design” third edition by Constantine A. Balanis, published by John Wiley & Sons, 2005, стр.949-954 (Л1). Типовой пример «интеллектуальной» антенны, известной из уровня техники, показан на фиг.4. Такая антенна состоит из набора активных приемопередающих элементов A-A, которые в совокупности представляют собой единую антенную решетку. Процессор 25 базовой станции «интеллектуально» управляет приемом и передачей сигналов в такой решетке, за счет чего в сети мобильной связи обеспечивается большая емкость каналов, а также большая зона 26 покрытия. Однако сигнал в каждом из излучающих элементов формируется соответствующим радиочастотным приемопередатчиком 24, и соответственно, с ростом числа излучающих элементов растет число радиочастотных приемопередатчиков, что приводит к существенному усложнению системы связи, и в результате к ее удорожанию пропорционально количеству радиоканалов.
Из уровня техники известны так называемые адаптивные антенные решетки, в которых для формирования сигналов во всех излучающих элементах используется только один радиочастотный приемопередатчик. Один из вариантов такого решения описан, например, в “Elevation radiation pattern shaping and control in broadband base station antenna arrays” by M. Barba, J. E. Page, J. A. Encinar, J. R. Montejo, ETSI Telecomunicación, Ciudad Universitaria s/n 28040 Madrid, SPAIN, Universidad Politécnica de Madrid, 12-14 Oct. 2005 (Л2). В источнике информации Л2 представлены улучшенные (по частотному диапазону и диаграмме направленности) планарные антенные решетки, предназначенные для работы в составе базовых станций мобильной связи в диапазонах GSM и UMTS (1710-2170 МГц). Как показано на фиг.5, электронно-управляемая система формирования диаграммы направленности согласно Л2 образована при помощи применения радиочастотного делителя 29 мощности, имеющего весовые коэффициенты, позволяющие сформировать косекансную диаграмму направленности через излучающие элементы 27. Сигнал с делителя 29 передается на излучатели через переключаемые фазовращатели 28. Переключаемые фазовращатели 28 управляются по команде процессора базовой станции 31 через специальную шину 30 управления, что позволяет осуществлять управление диаграммой направленности. Как видно, с помощью такой конструкции можно формировать только один луч, что улучшает энергетическое отношение сигнала к шуму, но из-за невозможности формирования многолучевой диаграммы направленности такой антенной решетке присуща весьма ограниченная емкость канала. Кроме того, несмотря на упрощение системы связи за счет уменьшения числа радиочастотных приемопередатчиков, ради возможности управления диаграммы направленности в такой адаптивной антенной решетке приходится использовать переключаемые фазовращатели, которые для столь высоких частот также достаточно дороги и имеют сравнительно большие потери.
Сущность изобретения
Задачей настоящего изобретения является упрощение конструкции базовой станции при сохранении высокого усиления антенной решетки и многолучевой диаграммы направленности без провалов в зоне обслуживания.
Вышеуказанная задача решается с помощью уменьшения количества приемопередающих каналов связи и использования делителей мощности с фиксированными параметрами распределения амплитуды и фазы.
В соответствии с одним аспектом настоящего изобретения предлагается сканирующая антенная решетка, в которой количество каналов питания существенно меньше количества излучающих элементов и больше или равно 2, при этом каждый канал имеет отдельный постоянный делитель мощности с фиксированными параметрами распределения амплитуды и фазы.
Сканирование выполняется путем изменения фазы на входе по меньшей мере одного из делителей мощности.
Весовые коэффициенты сконфигурированы так, чтобы в совокупности у антенной решетки формировалась косекансная диаграмма направленности.
В одном варианте осуществления сканирующая антенная решетка исполнена на печатной плате.
В соответствии с другим аспектом настоящего изобретения предлагается базовая станция, содержащая вышеописанную антенную решетку.
В соответствии с еще одним аспектом настоящего изобретения предлагается сеть беспроводной связи, содержащая такую базовую станцию.
В соответствии с дополнительным аспектом настоящего изобретения предлагается способ формирования диаграммы направленности, выполняемый в вышеописанной антенной решетке.
Настоящее изобретение позволяет существенно упростить конструкцию базовой станции и за счет этого снизить ее себестоимость и повысить надежность.
Дополнительно обеспечивается снижение потерь и за счет этого повышается эффективность энергопотребления.
Кроме того, обеспечивается относительно большая емкость канала, высокое усиление, ДН без провалов в зоне обслуживания и большой угол сканирования.
Настоящее изобретение предлагает эффективный принцип формирования оптимальной диаграммы направленности антенной решетки при ограничениях по требованиям к минимальному усилению, равномерности зоны покрытия, а также лимитированного числа питающих фазированных каналов. Соответственно, настоящее изобретение позволяет модернизировать унаследованные базовые станции с малым количеством радиочастотных каналов путем простой замены антенны.
Иными словами, техническим результатом является повышение эффективности сканирования и формирования многолучевой диаграммы направленности в антенной решетке уже при наличии двух радиопередающих трактов.
Вышеприведенное представляет собой краткую неограничивающую сущность задач, аспектов и преимуществ настоящего изобретения. Дополнительные признаки и преимущества настоящего изобретения станут понятны из нижеприведенного подробного описания изобретения.
Краткое описание чертежей
Далее настоящее изобретение будет подробно описано со ссылками на прилагаемые чертежи, на которых:
Фиг.1 - иллюстрация базовой станции в сети беспроводной связи, содержащей антенную решетку, соответствующую настоящему изобретению.
Фиг.2a - изменение диаграммы направленности антенны, представленной в настоящем изобретении, с синфазным и равномерным по мощности распределением весовых коэффициентов.
Фиг.2b - изменение диаграммы направленности антенны, представленной в настоящем изобретении, с неравномерным распределением весовых коэффициентов.
Фиг.3 - пример оптимальной реализации антенной решетки.
Фиг.4 - блок-схема, иллюстрирующая основной принцип построения и работы типичной «интеллектуальной» антенны.
Фиг.5 - блок-схема, иллюстрирующая основной принцип построения и работы типичной фазированной антенной решетки с управляемой косекансной диаграммой направленности.
Фиг.6a - пример применения антенной решетки согласно настоящему изобретению на практике.
Фиг.6b - результат моделирования, демонстрирующий соотношение усиления антенны и равномерность покрытия зоны обслуживания к расстоянию от базовой станции для обычной антенной решетки и антенны, предлагаемой в настоящем изобретении.
Фиг.7a - пример конструктивного исполнения антенной решетки согласно настоящему изобретению, состоящей из 72-х (8×9) печатных микрополосковых антенных излучающих элементов, в которой для сканирования в вертикальной плоскости применяется всего два канала управления, а вертикальный элемент линейной антенной решетки состоит из 2-х подрешеток с разным количеством излучающих элементов, 5 и 4.
Фиг.7b - результат симуляции диаграммы направленности в вертикальной плоскости антенны, предлагаемой в настоящем изобретении и изображенной на фиг.7а.
Подробное описание
При разработке предлагаемой в изобретении сканирующей антенной решетки необходимо выполнение предварительного моделирования для определения ее параметров в зависимости от требуемых конечных характеристик антенны с применением хорошо известных существующих методов. Предварительное моделирование включает в себя следующие этапы.
В соответствии с требуемыми параметрами усиления антенны и формы диаграммы направленности, исходящими из требований покрытия определенной зоны обслуживания, определяется требуемое общее число N излучателей. При этом, как правило, чем выше необходимое усиление антенны, тем больше минимально требуемое общее число излучателей. С другой стороны, чем меньше излучателей, тем антенная решетка в целом проще и дешевле.
11
1n
21
2n
Затем на основании общего числа излучателей формируются антенные подрешетки, при этом число антенных подрешеток либо может быть минимально возможным для обеспечения требуемых параметров излучения (например, усиление, форма диаграммы направленности), либо может быть предварительно определенным (например, для случая с унаследованной базовой станцией, уже имеющей определенное количество радиочастотных каналов (групп) питания антенны). Как показано на примере фиг.1, из N излучателей могут быть сформированы две антенные подрешетки 1 и 2, каждая из которых содержит n излучателей. Например, n может составлять N/2, и тогда антенная подрешетка 1 содержит излучатели A ...A,а антенная подрешетка 2 содержит излучатели A ...A.
11
1n
21
2n
Далее выбирается подходящий тип излучающих элементов A ...Aи A ...A антенной решетки для каждой из антенных подрешеток 1 и 2 в зависимости от требований к материалу и размерам антенны, к рабочей полосе частот, согласованию с питающей линией, к направленности, поляризации, углу и плоскости сканирования. Например, в качестве подходящего типа может быть выбран полосковый дипольный излучатель, излучатель типа Вивальди или другой излучающий элемент, известный специалисту в данной области техники. Предпочтительно, чтобы для всей антенной решетки выбирался один и тот же тип излучателя.
После этого производится оптимизация размера излучателя. Размер излучателя может быть обратно пропорционален рабочей частоте (или прямо пропорционален длине волны). Например, для случая с дипольным излучателем размер может составить примерно λ/2 с учетом укорочения в материале.
11
1n
21
2n
Затем оптимизируется расположение выбранных излучающих элементов A ...Aи A ...A антенной решетки как единой антенной решетки в зависимости от требуемой направленности, усиления, уровня боковых лепестков, поляризации, угла и плоскости сканирования.
11
1n
21
2n
Наконец, исходя из требований к зоне покрытия и требований к характеристикам излучения и угла сканирования, выполняется определение и оптимизация весовых коэффициентов 3, 4 (W-W и W-W) распределения фазы и амплитуды каждого излучающего элемента каждой антенной подрешетки в зависимости от выбранного типа излучателя и его места в антенной решетке.
Проведенное таким образом предварительное моделирование позволяет получить антенную решетку, соответствующую изначально заданным требованиям к антенне. То есть антенная решетка выполняется из определенного числа подрешеток в сумме из N излучателей, имеющих определенные параметры, а делители мощности для питания антенных подрешеток выполняются с учетом определенных весовых коэффициентов.
Динамическое сканирование в антенной решетке, полученной с применением данного моделирования, осуществляется путем изменения амплитуды и фазы по меньшей мере в одном приемопередающем тракте на величину, которая либо определяется на этапе определения весовых коэффициентов, либо обусловлена возможностями имеющегося оборудования.
Базовая блок-схема, иллюстрирующая базовую станцию в сети беспроводной связи, содержащую антенную решетку, соответствующую настоящему изобретению, представлена на фиг.1.
Вся антенная решетка разделена на две абсолютно независимые антенные подрешетки 1 и 2 с относительно высоким собственным усилением, например ≥12 дБи.
Обе подрешетки 1 и 2 питаются независимо друг от друга при помощи делителей 5 и 6 мощности с учетом заранее определенных в результате моделирования весовых коэффициентов 3 и 4 по фазе и амплитуде для каждой подрешетки.
RF ports
ANTel
Радиочастотные тракты базовой станции аналогичны тем, что применяются и для «интеллектуальных» антенн, и должны быть известны специалистам в данной области техники, поэтому подробно не раскрываются в настоящем описании. Следует отметить, что с применением предлагаемой антенной решетки достаточно использовать всего 2 приемопередающих радиотракта. Возможно использование и большего количества приемопередающих радиотрактов, но за счет того, что их количество существенно меньше, чем общее количество излучающих элементов в антенной решетке (N<<N), конструкция базовой станции с такой антенной значительно проще, чем при применении «интеллектуальных» антенн.
Оба делителя 5 и 6 мощности подключаются к двум независимым каналам приемопередатчиков, состоящим из радиомодулей 7, 8 и цифровых модуляторов 9 и 10 соответственно.
Динамическое сканирование в антенной решетке осуществляется путем изменения фазы по меньшей мере в одном приемопередающем тракте на предварительно определенную величину, как показано ранее.
Вся цифровая базовая станция в целом управляется через единый процессорный модуль 11, а для калибровки излучаемого сигнала используется отдельный радиоканал 13, 14 с отдельно установленной внешней антенной 12.
При этом делители мощности согласно настоящему изобретению предлагается выполнять с применением неравномерного амплитудно-фазового распределения, так как при реализации делителей мощности в соответствии с традиционным подходом, основанным на равномерном амплитудно-фазовом распределении, может возникать проблема, которая заключается в том, что сканирование очень ограничено малым углом (фиг.2а), присутствует высокий уровень бокового лепестка, а диаграмма направленности при максимальном угле просто распадается на две части, имея при этом стабильные глубокие нули 17, что существенно уменьшает зону обслуживания.
Луч, излучаемый по нормали 14 на фиг.2а, образуется при равномерном распределении весов по амплитуде и фазе. После смещения по фазе одной из подрешеток на 90 градусов луч отклоняется (15) всего на 5 градусов, а после смещения на 180 градусов получается максимальное отклонение (16) на 10 градусов, и при этом луч распадается надвое.
Для равномерного и подобных распределений амплитудно-фазовых весовых коэффициентов в цепи питания излучающих элементов можно добиться максимально возможного усиления антенной решетки, но при этом получается ограниченный угол сканирования, глубокие нули 17 в диаграмме направленности, и как показывает моделирование, это напрямую отражается на покрытии сигналом зоны обслуживания (поясняется далее применительно к фиг.6b).
С помощью надлежащего неравномерного распределения фаз и амплитуд излучателей возможно получение необходимой формы диаграммы направленности при различных углах сканирования. Следует отметить, что для антенн с малым усилением порядок распределения весовых коэффициентов не имеет большого значения, так как диаграмма направленности таких антенн широкая. Однако, чем выше необходимое усиление антенны, тем уже ее диаграмма направленности, что создает серьезную проблему для сканирования в больших углах с целью увеличения зоны покрытия, особенно при малом числе каналов питания.
Задача подбора весовых коэффициентов так, чтобы при малом числе каналов питания антенны (в целях упрощения конструкции) одновременно обеспечить и высокое усиление, и большую емкость канала, и диаграмму направленности без провалов в зоне обслуживания, и большой угол сканирования, не является тривиальной и требует значительных усилий при поиске оптимального решения.
Авторы изобретения выявили, что данную проблему можно решить, применив амплитудно-фазовое распределение, позволяющее получить косекансную или близкую к ней по форме диаграмму 18 направленности (см. фиг.2b) так, чтобы функция распределялась одновременно по двум подрешеткам.
Как образец для демонстрации эффекта от применения такого распределения, на фиг.2a и 2b приведены диаграммы направленности, полученные путем моделирования одной и той же антенной решетки, состоящей из восьми линейно установленных диполей, разделенных на 2 подрешетки по 4 диполя, но с двумя разными установками весовых коэффициентов на каждой из подрешеток. Как указано выше, сканирование при этом осуществляется путем изменения фазы в одной из антенных подрешеток.
Для приведенного выше примера антенной решетки из восьми элементов (2 подрешетки по 4) в одном варианте осуществления настоящего изобретения может применяться следующее распределение весов:
Таблица 1Распределение весовых коэффициентовдля получения косекансной ДН
Весовой коэффициент
Амплитуда
Фаза
W<sub>14</sub>
0,15
80
W<sub>13</sub>
0,25
50
W<sub>12</sub>
0,5
45
W<sub>11</sub>
1
0
W<sub>21</sub>
1
0
W<sub>22</sub>
0,5
-45
W<sub>23</sub>
0,25
-50
W<sub>24</sub>
0,15
-80
В приведенном примере управление осуществляется в подрешетке 1 по одному каналу путем изменения фазы в радиомодуле 7 на определенную величину.
Когда к исходной косекансной диаграмме 18 направленности, показанной на фиг.2b, добавляется сдвиг фазы в первую подрешетку на -150 градусов, диаграмма направленности изменяет форму и отклоняется влево (20), а при фазовом сдвиге +150 градусов - вправо (19).
На фиг.3 представлен один из возможных вариантов осуществления конструкции антенной решетки согласно настоящему изобретению. Антенная решетка 21 напечатана на печатной плате. Антенная решетка 21 содержит две подрешетки, сформированные из восьми излучающих элементов, по четыре излучающих элемента в каждой подрешетке. Кроме того, антенная решетка 21 содержит два постоянных делителя 22 и 23 мощности, в которых реализовано указанное в таблице 1 амплитудно-фазовое распределение весовых коэффициентов 3 и 4. Фазовое распределение реализуется разной длиной питающих полосков, а амплитудное - неравномерными полосковыми делителями. На вход каждого из делителей 22 и 23 мощности поступает сигнал с соответствующего радиопередающего тракта базовой станции. При прохождении через делители 22 и 23 мощности принятый сигнал распределяется и подается на соответствующие излучающие элементы с требуемыми амплитудами и фазами, которые соответствуют вышеупомянутым предварительно определенным значениям. При этом у антенной решетки в целом формируется косекансная или близкая к косекансной диаграмма направленности.
Когда по меньшей мере из одного приемопередающего тракта поступает сигнал со сдвигом фазы, диаграмма направленности поворачивается на некоторый угол, за счет чего выполняется сканирование.
В результате получается простая и дешевая конструкция с возможностью сканирования и требующая всего два управляемых канала питания.
Таким образом, в настоящем изобретении предлагается разделить единую антенную решетку на две или более подрешеток и управлять ими по принципу «интеллектуальной» антенны для реализации многолучевой системы передачи информации. При этом, несмотря на общее сходство оборудования, раскрываемого в настоящем изобретении, с известными устройствами из предшествующего уровня техники, показанными на фиг.4 и 5, предлагаемая в настоящем изобретении антенная решетка позволяет упростить конструкцию базовой станции и при этом сохранить относительно большую емкость канала.
Можно отметить, что принцип сканирования согласно настоящему изобретению позволяет заменить традиционное сканирование луча реконфигурацией диаграммы направленности с перемещением главного лепестка и изменением ее ширины по уровню половинной мощности. При этом структура и конструкция базовой станции существенно упрощается и, соответственно, повышается ее надежность.
Также, как выяснили авторы изобретения, поскольку весовые коэффициенты по амплитуде и фазе при распределении согласно настоящему изобретению являются заранее фиксированными и разными, то можно не оптимизировать расстояния между различными парами элементов (что, в сущности, также является подстройкой амплитудно-фазового распределения, но в малых пределах), а можно лишь заложить соответствующие сдвиги амплитуды и фазы в делителях мощности, поэтому нет необходимости делать неэквидистантную антенную решетку, что дополнительно упрощает процесс разработки, а в ряде случаев и изготовления антенны.
Кроме того, согласно настоящему изобретению, нет необходимости использования большого числа переключаемых фазовращателей, которые для высоких частот достаточно дороги и имеют сравнительно большие потери. То есть обеспечивается снижение потерь и за счет этого повышается эффективность энергопотребления.
Более того, это позволяет существенно улучшить распределение многолучевого излучения по зоне обслуживания сети мобильной связи с использованием ограниченного числа радиоканалов связи (например, двух).
Дополнительно настоящее изобретение позволяет модернизировать унаследованные базовые станции с малым количеством радиочастотных каналов путем простой замены антенны, улучшив за счет этого эффективность этих базовых станций.
Как результат использования предлагаемого конструктивного решения с использованием, например, структуры базовой станции по фиг.1, зона обслуживания сети разделяется на 3-4 сектора, в которых возможно независимо обслуживать большее число абонентов.
Антенную решетку согласно настоящему изобретению можно применять для формирования зон обслуживания как в вертикальной плоскости, так и в горизонтальной плоскости в зависимости от конструктивного исполнения антенной решетки. Наиболее предпочтительно применять ее для угломестного формирования лучей, как продемонстрировано на фиг.6а и 6b.
На фиг.6а показана типовая установка антенны базовой станции 32 на опорной мачте 33.
Вся зона обслуживания может быть разделена на три региона по углу места относительно поверхности земли: ближнюю 34, центральную 35 и дальнюю 36 зоны.
Результаты моделирования такой установки приведены на фиг.6b.
Для моделирования были взяты следующие начальные условия:
Высота мачты 25 м
Угол наклона антенны 10º
TX
Суммарная мощность передатчиков в каналах P=40 дБм
BSA
Усиление передающей антенны G=10 дБи
Диаграмма приемной антенны всенаправленная
Распространение радиоволн осуществляется в свободном пространстве без препятствий
На графике фиг.6b приведена мощность сигнала, принимаемого мобильным устройством в дБм в зависимости от расстояния до базовой станции. В среднем уровень принимаемого сигнала составляет примерно -30 - -40 дБм, но в случае с равномерным амплитудно-фазовым распределением весовых коэффициентов антенной решетки распределение 39 мощности в зависимости от расстояния получается очень неравномерное, особенно в ближней зоне 37, где принимаемый сигнал уменьшается более чем на 20 дБ.
При этом при применении антенной решетки, описанной в настоящем изобретении, распределение 38 мощности принимаемого сигнала в зависимости от расстояния становится, по существу, равномерным, что значительно улучшает работу сети связи.
Еще один характерный пример конструктивного исполнения антенной решетки согласно настоящему изобретению продемонстрирован на фиг.7a, а фиг.7b отображает результат симуляции изменения диаграммы направленности этой антенны в вертикальной плоскости. Позиция 40 на фиг.7b - это диаграмма направленности без дополнительных фазовых сдвигов между верхней и нижней подрешетками, позиция 41 отображает диаграмму направленности при сдвиге нижней подрешетки из четырех элементов по фазе относительно верхней на -100 градусов, а позиция 42 отображает диаграмму направленности при сдвиге верхней подрешетки относительно нижней на -160 градусов.
Планарная печатная антенная решетка, показанная на фиг.7a, состоит из 72-х печатных микрополосковых антенных излучающих элементов, поделенных между собой на 8 линейных блоков антенных подрешеток для формирования узких лучей в горизонтальной плоскости.
Антенные элементы в блоке выстроены в одну линию и имеют одинаковую поляризацию.
Каждый такой антенный линейный блок состоит из двух несимметричных антенных подрешеток с пятью и четырьмя излучающими элементами.
Для приведенного выше примера антенной решетки из девяти элементов (2 подрешетки по 5 и 4 соответственно) в данном варианте осуществления настоящего изобретения может применяться следующее распределение весов:
Таблица 2Распределение весовых коэффициентов для получения косекансной ДН в линейной антенной решетке, состоящей из двух подрешеток с 5 и 4 элементами соответственно
Весовой коэффициент
Амплитуда
Фаза
W<sub>15</sub>
0,1
90
W<sub>14</sub>
0,15
80
W<sub>13</sub>
0,25
50
W<sub>12</sub>
0,45
45
W<sub>11</sub>
1
0
W<sub>21</sub>
0,75
-45
W<sub>22</sub>
0,55
-50
W<sub>23</sub>
0,35
-80
W<sub>24</sub>
0,3
-90
В приведенном примере управление осуществляется путем изменения фазы в канале питания одной из подрешеток относительно другой на определенную величину.
Применение двух фазированных антенных подрешеток с различным количеством излучающих элементов и имеющих амплитудное и фазовое распределение весовых коэффициентов в соответствии с данным изобретением в одном антенном блоке позволяет дополнительно увеличить зону сканирования, а также снизить уровень излучения паразитного бокового лепестка.
Промышленная применимость
Наилучшее применение настоящее изобретение может найти для антенн базовых станций 4-го и последующих поколений сетей мобильной связи, где используются технологии с множеством входов и множеством выходов (MIMO) или технологии формирования многолучевой связи по принципу «интеллектуальной» антенны.