Кольцевая фазированная антенная решетка
ANNULAR PHASED ANTENNA ARRAY

Изобретение относится к области радиотехники и может быть использовано для работы на высоких башнях, например, на Останкинской башне, в качестве антенны базовой станции сотовой связи стандарта McWILL.
Известна антенная система для установки на поясе башни [1], содержащая систему распределения мощности и излучатели, расположенные вокруг пояса башни, с образованием центрами излучателей ряда разнесенных вдоль оси пояса и слегка наклоненных относительно поверхности Земли ячеек. Недостатком известного устройства для использования в зонтичных сотах является недостаточно большая территория покрытия.
Наиболее близким техническим решением к предлагаемому является кольцевая фазированная антенная решетка, содержащая первый кольцевой уровень, на коллинеарных радиусах которого размещены N идентичных антенных элементов с одинаковым угловым шагом относительно центральной оси [2]. Устройство также включает N идентичных антенных элементов, размещенных вдоль внутренней окружности кольцевого уровня, при этом радиус внутренней окружности выбирается равным 0.19λ, а радиус внешней - 0.44λ, где λ - максимальная длина волны рабочего диапазона антенны. Недостатком известного устройства для использования в зонтичных сотах является недостаточно большая территория покрытия.
Техническим результатом заявляемого изобретения является увеличение площади зоны покрытия антенной решетки, позволяющее эффективно использовать ее в зонтичных сотах.
Технический результат достигается тем, что кольцевая фазированная антенная решетка, содержащая первый кольцевой уровень, на коллинеарных радиусах которого размещены N идентичных антенных элементов с одинаковым угловым шагом относительно центральной оси, согласно изобретению, содержит второй кольцевой уровень, идентичный первому, при N=6, а также третий, размещенный под первыми двумя, кольцевой уровень, на котором размещено четыре идентичных антенных элемента с угловым разносом относительно друг друга 60°±2°, 120°±2°, 60°±2°, 120°±2°, соответственно, и блок управления, при этом все антенные элементы выполнены в виде вертикальных вибраторов, кольцевые уровни размещены на башне на высотах 293.3±0.5 м, 285.2±0.5 м и 280.5±0.5 м, соответственно, а блок управления содержит восемь фазовращателей и восемь усилителей мощности, причем выходы фазовращателей соединены со входами соответствующих усилителей мощности, выходы которых подключены ко входам соответствующих делителей мощности, снабженных двумя выходами, каждый из которых соединен с одним из антенных элементов, расположенных на коллинеарных радиусах соответствующего кольцевого уровня, при этом в режиме работы в диапазоне частот 330-350 МГц относительный сдвиг фазы транслируемых сигналов антенных элементов второго кольцевого уровня относительно транслируемых сигналов антенных элементов первого кольцевого уровня составляет 292°±2°, а относительный сдвиг фазы транслируемых сигналов антенных элементов третьего кольцевого уровня относительно транслируемых сигналов антенных элементов первого кольцевого уровня составляет 228°±2°.
На Фиг. 1 схематически изображена кольцевая фазированная антенная решетка, на Фиг. 2 представлен вид сверху первого и второго кольцевых уровней, а на Фиг. 3 - вид сверху третьего кольцевого уровня.
Кольцевая фазированная антенная решетка, содержит первый и второй кольцевые уровни, на коллинеарных радиусах каждого из которых размещено с одинаковым угловым шагом относительно центральной оси шесть идентичных антенных элементов 1.1-1.6 и 2.1-2.6, соответственно. На третьем кольцевом уровне, размещенном под первыми двумя, на коллинеарных радиусах установлено четыре идентичных антенных элемента 3.1-3.4 с угловым разносом относительно друг друга 60°±2°, 120°±2°, 60°±2°, 120°±2°, соответственно. Первый, второй и третий кольцевые уровни размещены, на башне, например, Останкинской, на высотах 293.3±0.5 м, 285.2±0.5 м и 280.5±0.5 м, соответственно. Все антенные элементы выполнены в виде вертикальных вибраторов и каждый из них в азимутальной плоскости имеет максимум диаграммы в направлении, задаваемом лучом от центра кольцевого уровня, которому принадлежит антенный элемент, к его оптическому центру.
Устройство также содержит блок 4 управления, включающий фазовращатели 5.1-5.8 и усилители мощности 6.1-6.8, причем выходы фазовращателей соединены со входами соответствующих усилителей мощности, выходы которых подключены ко входам соответствующих делителей мощности 7.1-7.8, снабженных двумя выходами, каждый из которых соединен с соответствующим антенным элементом, а именно выходы первого делителя мощности 7.1 подключены к антенным элементам 1.1 и 1.2, выходы второго делителя мощности 7.2 подключены к антенным элементам 1.3 и 1.4, а выходы третьего делителя мощности 7.3 подключены к антенным элементам 1.5 и 1.6, при этом пары антенных элементов 1.1 и 1.2, 1.3 и 1.4, 1.5 и 1.6 расположены на коллинеарных радиусах первого кольцевого уровня. Выходы четвертого делителя мощности 7.4 подключены к антенным элементам 2.1 и 2.2, выходы пятого делителя мощности 7.5 подключены к антенным элементам 2.3 и 2.4, а выходы шестого делителя мощности 7.6 подключены к антенным элементам 2.5 и 2.6, при этом пары антенных элементов 2.1 и 2.2, 2.3 и 2.4, 2.5 и 2.6 расположены на коллинеарных радиусах второго кольцевого уровня. Выходы седьмого делителя мощности 7.7 подключены к антенным элементам 3.1 и 3.2, а выходы восьмого делителя мощности 7.8 подключены к антенным элементам 3.3 и 3.4, при этом пары антенных элементов 3.1 и 3.2, 3.3 и 3.4, расположены на коллинеарных радиусах третьего кольцевого уровня.
В режиме работы в диапазоне частот 330-350 МГц относительный сдвиг фазы транслируемых сигналов антенных элементов второго кольцевого уровня относительно транслируемых сигналов антенных элементов первого кольцевого уровня составляет 292°±2°, а относительный сдвиг фазы транслируемых сигналов антенных элементов третьего кольцевого уровня относительно транслируемых сигналов антенных элементов первого кольцевого уровня составляет 228°±2°.
Устройство работает следующим образом.
На базовой станции системы подвижной радиосвязи McWILL формируется широковещательный сигнал управления, который дублируется на 8 идентичных копий, подаваемых на входы фазовращателей 5.1-5.8 блока 4 управления, в котором соответствующая копия широковещательного сигнала управления сдвигается по фазе, после чего усиливается в усилителе мощности 6.1-6.8. Фазовращатели могут быть выполнены, например, как описано в [3], а усилители мощности по двухтактной схеме, как описано в [4]. В результате получается восемь усиленных широковещательных сигналов управления, обладающих сдвигами фаз. С выходов усилителей мощности 6.1-6.8 широковещательные сигналы управления подаются на входы соответствующих делителей мощности 7.1-7.8, на двух выходах каждого из которых формируются равномощные копии соответствующего широковещательного сигнала управления, обладающего заданным сдвигом фазы. Каждая сформированная копия из пары равномощных широковещательных сигналов управления подается на вход соответствующего антенного элемента, причем антенные элементы, отвечающие за трансляцию пары равномощных широковещательных сигналов управления, принадлежат одному кольцевому уровню и расположены в нем на коллинеарных радиусах. Фазы в фазовращателях подбираются так, чтобы сформировать в вертикальном сечении такую диаграмму направленности, которая, с учетом поляризации антенн абонентских станций, обеспечит максимальную площадь зоны покрытия для заданного уровня мощности широковещательного сигнала на приеме. Например, для системы подвижной радиосвязи McWILL гарантированное качество работы обеспечивается при условии уровня широковещательного сигнала управления на приеме не ниже -75 дБм. Так как все антенные элементы выполнены в виде вертикальных вибраторов, поляризация принимаемого абонентами сигнала является вертикальной. Именно для таких условий для трехкольцевой антенной системы, расположенной на башне, например, Останкинской, при технически предельном значении мощности сигналов на выходах усилителей мощности 7.1-7.8, составляющей 2 Вт, что соответствует стандарту McWILL, в режиме работы в диапазоне частот 330-350 МГц, также соответствующему стандарту McWILL, сдвиги фаз, равные 0°±2°, в фазовращателях 5.1-5.3, отвечающих первому кольцевому уровню, сдвиги фаз, равные 292°±2, в фазовращателях 5.4-5.6, отвечающих второму кольцевому уровню, и сдвиги фаз, равные 228°±2°, в фазовращателях 5.7-5.8, отвечающих третьему кольцевому уровню, обеспечивают максимальную площадь зоны покрытия широковещательным сигналом управления.
2
В описанном случае для антенной решетки на Останкинской башне зона покрытия достигает 586.651 км, что в пересчете на радиус сплошного кругового покрытия эквивалентно дистанции 19.33 км. Точности установки фаз в пределах ±2° гарантируют границу возможного сокращения площади покрытия не более чем на 0.8%. Если же точность установки фаз будет ±3°, то указанная площадь покрытия может сократиться на 1.1%. А в случае точности установки фазы ±5° сокращение площади покрытия может достигать 20.4%.
Проведенный сравнительный анализ показал, что технический результат достигается тем, что что благодаря введению двух дополнительных кольцевых уровней антенной системы и настройке фазовых сдвигов широковещательных сигналов управления, транслируемых антеннами каждого из указанных уровней, удается увеличить площадь зоны сигнального покрытия более чем в два раза по сравнению со случаем использования на башне, например, Останкинской, антенной системы [2], являющейся прототипом, а значит эффективно использовать ее в зонтичных сотах.
Источники информации, принятые во внимание:
[1] Патент №2121738 МПК H01Q 3/00, 04.03.1997.
[2] Патент №141252 МПК H01Q 21/06, 09.01.2014.
[3] Патент №127554, МПК НВО3В 27/00, 07.09.2012.
[4] Радиопередающие устройства. Учебник для вузов / В.В. Шахгильдян, В.Б. Козырев, А.А. Ляховкин и др., под ред. В.В. Шахгильдяна. - 2-е изд., - М., Радио и связь, 1990 - 432 с., с. 147-150.