Устройство усиления сигналов сотовой связи

Область техники, к которой относится полезная модель
Настоящая полезная модель относится к оборудованию сотовой связи, а более точно касается устройства усиления сигналов сотовой связи.
Уровень техники
В настоящее время, когда услуги сотовой связи стали неотъемлемой частью жизни современных людей, к качеству связи предъявляются высокие требования, которые должны отвечать современным стандартам устойчивой бесперебойной сотовой связи. Работа с электронной почтой, GPS-навигация, просмотр мультимедиа контента, а также использование всевозможных приложений - всем этим можно комфортно воспользоваться только при наличии устойчивого и достаточно быстрого канала связи.
Высокоскоростная передача данных, а также постоянная загруженность сотовых сетей требует использования более высоких частот, следствием чего является уменьшение зон с уверенным радиоприемом и возникновение множественных зон с неуверенным приемом и некачественной работой сети сотовой связи.
Тем не менее, в повседневной жизни часто бывают ситуации, когда сигналы сотовой связи в тех или иных местах имеют низкий уровень, что не позволяет иметь устойчивую связь и, как следствие, низкую скорость интернет соединения. Причиной этому чаще всего бывают затухания сигнала сотовой связи, обусловленные препятствиями, возникающими на пути распространения радиосигнала.
Для решения данной проблемы в мировой практике используются различные вспомогательные приемо-усилительные устройства. Самыми распространенными устройствами усиления и передачи сигналов сотовой связи для зон неуверенного приема являются репитеры сигналов сотовой связи.
Широко известны усилители сигналов сотовой связи, например, http://www.countrynet.ru/gsm/usilenie-3g-signala и http://konnektim.ru/services/internet-signal-amplification.
Данный класс оборудования относится к избирательным полосовым усилителям, в которых основными элементами являются усилительные микросхемы и частотные фильтры, формирующие необходимую частотную избирательность сигнала и позволяющие создать оптимальные структуры построения такой аппаратуры. Каждый из известных усилителей представляет собой двуканальный репитер с наружной и внутренней антенной. Для устойчивой связи в помещении, где работает репитер, коэффициент усиления в каждом канале должен составлять около 60 дБ. Учитывая то, что оба канала репитера находятся в одном корпусе и по входу и выходу нагружены на одни и те же антенны, возникают проблемы, связанные с возможной самогенерацией сигналов.
Это обстоятельство накладывает определенные требования по частотной избирательности каждого канала Uplink (верхний канал) и Downlink (нижний канал) и по хорошей развязке между входным и выходным каналами дуплексера. Современная электронная база позволяет применять фильтры и дуплексеры, выполненные по технологии ПАВ (поверхностные акустические волны). Тем не менее, высокий суммарный коэффициент усиления обоих каналов (около 120 дБ) требует большого количества полосовых фильтров в каждом канале и хорошей экранировки всей конструкции.
Наиболее близким к заявляемому устройству усиления сигналов сотовой связи является Система сотовой связи, известная из международной публикации WO/2008/059486.
Известная система сотовой связи содержит входную антенну, выполненную с возможностью приема - передачи сигнала сотовой связи от базовой станции по каналу Uplink, репитер, соединенный с входной антенной, выходную антенну, выполненную с возможностью приема-передачи сигнала сотовой связи абоненту по каналу Downlink и соединенную с репитером, и коаксиальный кабель, предназначенный для передачи сигнала сотовой связи от входной антенны к выходной. Наружная пассивная антенна имеет невысокий коэффициент усиления и соединена с репитером посредством коаксиального кабеля. Наружная антенна установлена вне помещения, преимущественно на крыше, и ориентирована в сторону ближайшей базовой станции оператора сотовой связи. Внутренняя антенна установлена в помещении и соединена с репитером посредством коаксиального кабеля.
Известное устройство также включает блок обратной связи, который формирует индикаторную информацию относительно качества сигнала сотовой связи, и блок дистанционного приема, который принимает индикаторную информацию от блока обратной связи.
В известном устройстве, также как и в других известных устройствах того же назначения, репитер представляет собой двухканальный усилитель (Uplink и Downlink), построенный на базе усилительных микросхем и частотных фильтров. Конструктивно оба канала репитера смонтированы в одном корпусе и оба по входу и выходу подключены к входной и выходной антеннам, в результате чего возможна самогенерация сигналов.
Коаксиальный кабель, посредством которого наружная и внутренняя антенны соединены с репитером, вносит значительное (около 5 дБ) затухание сигнала, а именно, ухудшает коэффициент шума в том случае, когда сигнал идет от базовой станции к абоненту, и подавляет полезный сигнал в случае передачи сигнала от абонента к базовой станции.
При такой схеме построения для достижения необходимой избирательности необходимо использовать большое количество полосовых фильтров (до 6-8 штук), на базе которых построен репитер и которые имеют собственные затухания в полосе пропускания около -1…-2 дБ. Собственные затухания полосовых фильтров суммируются, в результате чего полезный сигнал значительно ослабляется.
Раскрытие сущности полезной модели
В основу полезной модели положена задача разработать устройство усиления сигналов сотовой связи, которое благодаря конструктивному выполнению позволяет исключить самогенерацию сигналов в репитере.
Поставленная задача решается тем, что устройство усиления сигналов сотовой связи, содержащее наружную антенну, выполненную с возможностью приема - передачи сигнала сотовой связи от базовой станции, репитер, соединенный с наружной антенной, внутреннюю антенну, выполненную с возможностью приема-передачи сигнала сотовой связи абоненту и соединенную с репитером, и коаксиальный кабель, предназначенный для передачи сигнала сотовой связи от наружной антенны к внутренней, согласно полезной модели, репитер представляет собой три последовательно соединенных модуля с равномерным распределением коэффициента усиления между ними, причем первый модуль подключен к наружной антенне и установлен непосредственно в корпусе наружной антенны на плате согласования, второй модуль соединен с первым и третьими модулями посредством первого и второго коаксиальных кабелей, а третий модуль подключен к внутренней антенне и установлен в корпусе внутренней антенны на плате согласования.
Полезно, чтобы коэффициент усиления репитера составлял 60-70 дБ, коэффициент усиления каждого модуля составлял 20-25 дБ, при этом коэффициент затухания каждого коаксиального кабеля оставлял 8-10 дБ.
Конструктивно выгодно, чтобы первый модуль содержал первый дуплексер, вход-выход которого соединен с наружной антенной, канал передачи сигнала сотовой связи к абоненту, который содержит последовательно соединенные первый каскад, первый фильтр, второй каскад и второй фильтр, второй дуплексер и канал передачи сигнала сотовой связи от абонента, который содержит последовательно соединенные первый каскад, первый фильтр, второй каскад и второй фильтр, при этом вход канала передачи сигнала сотовой связи к абоненту подключен к выходу первого дуплексера, ко входу которого подключен выход канала передачи сигнала сотовой связи от абонента, вход которого подключен к выходу второго дуплексера, вход-выход которого посредством первого коаксиального кабеля соединен со входом второго модуля.
Предпочтительно, чтобы второй модуль содержал первый дуплексер, к выходу которого подключен канал передачи сигнала сотовой связи к абоненту, который содержит соединенные между собой аттенюатор ручной регулировки усиления, первый каскад, первый фильтр, второй каскад и второй фильтр, второй дуплексер, вход-выход которого посредством второго коаксиального кабеля соединен со входом третьего модуля, канал передачи сигнала сотовой связи от абонента, который содержит последовательно соединенные первый каскад, первый фильтр, второй каскад и второй фильтр, выход которого подключен ко входу первого дуплексера, блок автоматической регулировки усиления, подключенный к аттенюатору ручной регулировки усиления и входу второго фильтра канала передачи сигнала сотовой связи к абоненту, и блок защиты от аварийного режима, подключенный ко входу второго фильтра и выходу первого каскада канала передачи сигнала сотовой связи от абонента и электрически связанный со вторым каскадом канала передачи сигнала сотовой связи к абоненту.
Желательно, чтобы блок автоматической регулировки усиления содержал аттенюатор автоматической регулировки усиления, подключенный к аттенюатору ручной регулировки усиления, направленный ответвитель, подключенный ко входу второго фильтра канала передачи сигнала сотовой связи к абоненту, каскад, подключенный к направленному ответвителю, и процессор, вход которого подключен к выходу каскада, а выход подключен к аттенюатору ручной регулировки усиления, и индикатор, подключенный к выходу процессора.
Предпочтительно, чтобы блок защиты от аварийного режима содержал направленный ответвитель, подключенный к выходу второго каскада канала передачи сигнала сотовой связи от абонента, и последовательно соединенные каскад, направленный ответвитель, детектор, контроллер, соединенный со вторым каскадом канала передачи сигнала сотовой связи к абоненту, и индикатор.
Целесообразно, чтобы третий модуль содержал первый дуплексер, вход-выход которого служит входом третьего модуля, канал передачи сигнала сотовой связи к абоненту, который содержит последовательно соединенные первый каскад, первый фильтр, второй каскад и второй фильтр, второй дуплексер и канал передачи сигнала сотовой связи от абонента, который содержит последовательно соединенные первый каскад, первый фильтр, второй каскад и второй фильтр, при этом вход канала передачи сигнала сотовой связи к абоненту подключен к выходу первого дуплексера, ко входу которого подключен выход канала передачи сигнала сотовой связи от абонента, вход которого подключен к выходу второго дуплексера, вход-выход которого подключен к наружной антенне.
Техническим результатом заявленной полезной модели является практическое исключение самогенерации сигналов в репитере, что обусловлено предложенным выполнением репитера из трех модулей, соединенных между собой коаксиальными кабелями. В таком случае требуемый коэффициент усиления 60-70 дБ распределяется равномерно между тремя усилительными модулями, что позволяет применять более технологичные частотно-избирательные усилители с небольшими коэффициентами усиления. Коаксиальные кабели в предложенной конструкции выполняют роль аттенюаторов, что способствует устойчивой работе и позволяет минимизировать взаимное влияние усилителей.
Наряду с исключением самогенерации сигналов в репитере значительно уменьшается коэффициент шума всего устройства, так как в отличие от известных технических решений, от наружной антенны по первому коаксиальному кабелю передается сигнал, предварительно усиленный в первом модуле. А объединение третьего модуля в одном корпусе с внутренней антенной исключает подавление полезного сигнала при передаче выходного сигнала от абонента к базовой станции.
Еще одним преимуществом данной полезной модели является то, что одновременно с исключением самогенерации сигналов в репитере появилась возможность использования в репитере меньшего количества и более простых усилительных компонентов для достижения необходимой мощности сигнала при передаче на базовую станцию.
Краткое описание чертежей
В дальнейшем полезная модель поясняется описанием конкретного варианта выполнения и прилагаемыми чертежами, на которых:
фиг. 1 изображает структурную схему выполнения устройства для усиления сигналов сотовой связи, согласно полезной модели;
фиг. 2 изображает блок- схему устройства для усиления сигналов сотовой связи, согласно полезной модели.
Осуществление полезной модели
Патентуемое устройство усиления сигналов сотовой связи содержит наружную антенну 1 (фиг. 1), выполненную с возможностью приема - передачи сигнала сотовой связи от базовой станции, внутреннюю антенну 2, выполненную с возможностью приема-передачи сигнала сотовой связи абоненту, два коаксиальных кабеля 31, 32, предназначенных для передачи сигнала сотовой связи от наружной антенны 1 к внутренней антенне 2, и репитер 4, который выполнен в виде трех последовательно соединенных модулей 5, 6, 7. Первый модуль 5 подключен к наружной антенне 1 и установлен непосредственно в корпусе наружной антенны 1 на плате согласования. Второй модуль 6 соединен с первым и третьим модулями 5, 7 посредством коаксиальных кабелей 31, 32, а третий модуль 7 подключен к внутренней антенне 2 и установлен в корпусе внутренней антенны 2 на плате согласования.
На фиг. 1 пунктирной линией для наглядности обозначено конструктивное объединение первого модуля 5 в одном корпусе с наружной антенной 1 и третьего модуля 7 с внутренней антенной 2. Именно благодаря предлагаемому конструктивному выполнению репитера 4 наружная и внутренняя антенны 1, 2 становятся активными в отличие от пассивных антенн, используемых в известных технических решениях.
Как было сказано, репитер 4 имеет трехмодульную конструкцию, которая представляет собой высокочастотный частотно-избирательный и двунаправленный усилитель. Репитер 4, как усилитель ВЧ сигнала, характеризуется определенным значением коэффициента усиления (Кр), который показывает, во сколько раз уровень выходного сигнала превышает уровень входного. Таким образом, чем выше коэффициент усиления репитера 4, тем меньше может быть сигнал на входе наружной антенны 1 и тем дальше могут находиться базовая станция и абонент друг от друга. На практике коэффициенты усиления в современных репитерах составляют 55-80 дБ, а наиболее часто используемый диапазон репитера составляет 60-70 дБ.
В предлагаемом устройстве заданный коэффициент усиления лежит в диапазоне 60-70 дБ и распределяется равномерно по трем отдельным модулям 5,6,7, коэффициент усиления каждого из которых составляет всего 20-25 дБ, что очень просто реализовать на известной элементной базе. Коаксиальные кабели 31, 32, соединяющие модули 5,6,7, выполняют роль аттенюаторов и способствуют устойчивой работе и минимизации взаимного влияния усилителей. С учетом того, что каждый коаксиальный кабель 31, 32 имеет затухание сигнала около 8-10 дБ, то общую структурную схему трехмодульного репитера можно рассматривать как три последовательных усилителя с аттенюаторами.
Известно, что чем ближе установлен усилитель к антенне и чем меньше сигнал затухает между антенной и усилителем, тем меньшим коэффициентом шума обладает репитер. Именно такой положительный эффект достигается в патентуемом устройстве благодаря минимальному расстоянию между наружной антенной 1 и первым усилительным модулем 5, так как модуль размещен в одном корпусе с наружной антенной 1.
Первый модуль 5 репитера 4 содержит первый дуплексер 8 (фиг. 2), вход-выход которого соединен с наружной антенной 1, а к выходу подключен вход канала 9 передачи сигнала сотовой связи к абоненту, выход которого подключен ко входу второго дуплексера 10, и канал 11 передачи сигнала сотовой связи от абонента, выход которого подключен ко входу первого дуплексера 8, а вход - к выходу второго дуплексера 10. Канал 9 передачи сигнала сотовой связи к абоненту содержит последовательно соединенные первый каскад 12, первый фильтр 13, второй каскад 14 и второй фильтр 15. Канал 11 передачи сигнала сотовой связи от абонента содержит последовательно соединенные первый каскад 16, первый фильтр 17, второй каскад 18 и второй фильтр 19. Вход-выход второго дуплексера 10 посредством коаксиального кабеля 31 соединен со входом второго модуля 6.
Второй модуль 6 репитера 4 содержит первый дуплексер 20, к выходу которого подключен вход канала 21 передачи сигнала сотовой связи к абоненту, выход которого подключен ко входу второго дуплексера 22, канал 23 передачи сигнала сотовой связи от абонента, выход которого подключен ко входу первого дуплексера 20, а вход - к выходу второго дуплексера 22. Канал 21 передачи сигнала сотовой связи к абоненту содержит соединенные между собой аттенюатор 24 ручной регулировки усиления, первый каскад 25, первый фильтр 26, второй каскад 27 и второй фильтр 28. Канал 23 передачи сигнала сотовой связи от абонента содержит последовательно соединенные первый каскад 29, первый фильтр 30, второй каскад 31 и второй фильтр 32, выход которого подключен ко входу первого дуплексера 20. Вход-выход второго дуплексера 22 посредством коаксиального кабеля 32 соединен со входом третьего модуля 7.
Для предотвращения интермодуляционных искажений на выходе устройства усиления сигналов сотовой связи и попадания паразитных сигналов в эфир в репитере 4 предусмотрена ручная и автоматическая регулировка усиления, которая также позволяет расширить динамический диапазон усилителя. Для этого второй модуль 6 дополнительно содержит блок 33 автоматической регулировки усиления и блок 34 защиты от аварийного режима.
Блок 33 автоматической регулировки усиления содержит аттенюатор 35 автоматической регулировки усиления, подключенный к аттенюатору 24 ручной регулировки усиления, направленный ответвитель 36, подключенный ко входу второго фильтра 28 канала 21 передачи сигнала сотовой связи к абоненту, каскад 37, подключенный к направленному ответвителю 36, процессор 38, вход которого подключен к выходу каскада 37, а выход подключен к аттенюатору 35 автоматической регулировки усиления, и индикатор 39, подключенный к выходу процессора 38.
Блок 34 защиты от аварийного режима содержит направленный ответвитель 40, подключенный к выходу второго каскада 31 канала 23 передачи сигнала сотовой связи от абонента, и последовательно соединенные каскад 41, детектор 42, контроллер 43, соединенный с первым каскадом 29 канала 23 передачи сигнала сотовой связи от абонента со вторым каскадом 27 канала 21 передачи сигнала сотовой связи к абоненту, и индикатор 44.
Третий модуль 7 репитера 4 содержит первый дуплексер 45, вход-выход которого посредством коаксиального кабеля 32 соединен с выходом второго модуля 6, канал 46 передачи сигнала сотовой связи к абоненту, выход которого подключен ко входу второго дуплексера 47, соединенному с внутренней антенной 2, и канал 48 передачи сигнала сотовой связи от абонента, выход которого подключен ко входу первого дуплексера 45, а вход - к выходу второго дуплексера 47. Канал 46 передачи сигнала сотовой связи к абоненту содержит последовательно соединенные первый каскад 49, первый фильтр 50, второй каскад 51 и второй фильтр 52. Канал 48 передачи сигнала сотовой связи от абонента содержит последовательно соединенные первый каскад 53, первый фильтр 54, второй каскад 55 и второй фильтр 56. Питание второго модуля 6 осуществляется посредством источника 57 питания.
Устройство усиления сигналов сотовой связи работает следующим образом.
Сигнал сотовой связи от базовой станции к абоненту принимается наружной антенной 1 (фиг. 1, 2), поступает на вход-выход первого дуплексера 8 первого модуля 5, смонтированного в корпусе наружной антенны 1 на ее плате согласования. Затем с выхода дуплексера 8 канала 9 передачи сигнала сотовой связи к абоненту сигнал поступает на первый каскад 12, где происходит его усиление, после чего сигнал проходит через первый фильтр 13, где выделяются необходимые частоты канала 9 передачи. После прохождения фильтра 13 сигнал вновь усиливается каскадом 14 и дополнительно фильтруется фильтром 15, после чего через вход-выход второго дуплексера 10 модуля 5 через коаксиальный кабель 31 сигнал поступает на вход-выход первого дуплексера 20 модуля 6. Благодаря тому, что сигнал от наружной антенны 1 предварительно усилен в первом модуле 5 и по коаксиальному кабелю 31 передается именно усиленный сигнал, коэффициент шума снижается.
Далее сигнал, проходя дуплексер 20 второго модуля 6, поступает на аттенюатор 24 ручной регулировки сигнала, где при необходимости осуществляется регулировка требуемого уровня сигнала. Затем сигнал проходит через аттенюатор 35 автоматической регулировки усиления, усиливается первым каскадом 25 и проходит через фильтр 26, где выделяется полоса сигнала канала 21 передачи сигнала сотовой связи к абоненту. Далее сигнал дополнительно усиливается вторым каскадом 27 и разделяется в ответвителе 36, откуда он поступает на блок 33 автоматической регулировки усиления и на фильтр 28 канала 21 передачи сигнала к абоненту. В блоке 33 автоматической регулировки сигнал усиливается каскадом 37 и после обработки процессором 38 подается на индикатор 39 и аттенюатор 35. Ручная регулировка применяется в момент установки репитера однократно и позволяет оптимизировать сигнал по уровню для исключения аварийного режима. Автоматическая регулировка работает в постоянном режиме, регулируя уровень сигнала, исключая перегрузку репитера.
Со второго выхода ответвителя 36 сигнал поступает на фильтр 28, далее на вход дуплексера 22, со входа-выхода которого по коаксиальному кабелю 32 поступает на вход-выход дуплексера 45 третьего модуля 7. В канале 46 передачи сигнала сотовой связи к абоненту сигнал усиливается первым каскадом 49 и после этого фильтруется первым фильтром 50, после чего дополнительно усиливается вторым каскадом 51 и после дополнительной фильтрации вторым фильтром 52 поступает на вход дуплексера 47 и далее поступает на внутреннюю антенну 2 внутри помещения, которая излучает сигнал сотовой связи в помещение, где находится абонент.
Благодаря тому, что репитер 4 состоит из трех модулей 5, 6, 7 практически исключается самогенерации сигналов в репитере 4, при этом требуемый коэффициент усиления 60-70 дБ распределен равномерно между тремя усилительными модулями 5, 6, 7, в каждом из которых используется всего четыре полосовых фильтра, что существенно меньше, чем в известных технических решениях.
Работа устройства в случае передачи сигнала от абонента к базовой станции осуществляется аналогичным образом в обратном порядке.
Сигнал сотовой связи канала от абонента к базовой станции принимается внутренней антенной 2 и поступает на вход-выход дуплексера 47 третьего модуля 7. С выхода дуплексера 47 сигнал поступает на вход канала 48 передачи сигнала от абонента дуплексера, он усиливается первым каскадом 53 и фильтруется фильтром 54. Затем дополнительно усиливается усилителем 55 и еще раз фильтруется фильтром 56, после чего, пройдя через дуплексер 45 и коаксиальный кабель 32, попадает на вход - выход дуплексера 22 второго модуля 6. Далее, пройдя дуплексер 22, сигнал усиливается каскадом 29 и фильтруется фильтром 30, где выделяется полоса сигнала от абонента к базовой станции. Затем сигнал дополнительно усиливается усилителем 31 и разветвляется на ответвителе 40 на два направления. В одном направлении сигнал идет на блок 34 защиты от аварийного режима, где он усиливается каскадом 41 и определяется детектором 42, после чего контроллер 43 управляет отключением каскадов 29 и 27. Также контроллер 43 управляет индикацией 44. Во втором направлении после ответвителя 40 сигнал фильтруется фильтром 32 и через дуплексер 20 и коаксиальный кабель 31 поступает на первый модуль 5. В первом модуле 5 сигнал через дуплексер 10 поступает в каскад 16, на фильтр 17, а затем дополнительно усиливается в каскаде 18. Перед дуплексером 8 канала 11 передачи сигнала от абонента сигнал фильтруется фильтром 19, достигая рабочих значений, а после прохождения дуплексера 8 сигнал излучается на базовую станцию антенной 1.
Также как и прохождение сигнала сотовой связи от базовой станции к абоненту сигнал от внутренней антенны 2 предварительно усиливается в третьем модуле 7, а по коаксиальному кабелю 32, ко второму модулю 6 передается усиленный сигнал, то коэффициента шума снижается.
Патентуемая полезная модель отвечает современным стандартам устойчивой сотовой связи и позволяет осуществлять бесперебойную работу с электронной почтой, GPS-навигацию, просмотр мультимедиа контента, а так же использовать всевозможные приложения, которые предоставляет 3G связь.