Устройство беспроводной связи с частотно-поляризационной развязкой между передающим и приемным каналами
DEVICE OF WIRELESS COMMUNICATION WITH FREQUENCY-POLARIZATION DISTRIBUTION BETWEEN TRANSFER AND RECEIVER CHANNELS

Область техники
Настоящее изобретение относится к области беспроводных систем связи, работающих в дуплексном режиме приема и передачи данных и, в частности, к устройствам систем радиосвязи миллиметрового диапазона длин волн с высокой скоростью передачи данных.
Уровень техники
В современных беспроводных системах связи применяются различные схемы дуплексной приемопередачи сигналов. Наиболее часто используются дуплексные схемы с временным разделением или с частотным разделением приема и передачи. Первая из них состоит в разнесении приема и передачи сигналов посредством выделенных и соответственно непересекающихся временных интервалов. Типично это обеспечивается использованием радиочастотного переключателя, соединяющего общую антенну с приемником или передатчиком (см. Фиг. 1(а)). Вторая схема дуплексирования приемопередачи - частотная - состоит в разнесении принимаемых и передаваемых сигналов в частотной области, то есть посредством двух непересекающихся полос частот, одна из которых выделена для передачи, а другая для приема данных. Частотное разнесение принимаемых и передаваемых сигналов осуществляется за счет использования специального устройства - диплексера, которое выполняет частотную фильтрацию сигналов, предназначенных для обработки в приемнике и для передачи на общую антенну от передатчика (см. Фиг. 1(б)).
Обычно одновременные прием и передача сигналов с общей антенны невозможны в одном и том же временном интервале и в одной и той же полосе частот по причине того, что принимаемый сигнал в этом случае будет сильно искажен влиянием передаваемого сигнала, который может быть в миллионы (и даже миллиарды) раз сильнее по мощности, чем принимаемый сигнал.
Реже разнесение приемного и передающего каналов также возможно с использованием пространственных или поляризационных ресурсов.
Пространственное разнесение может быть эффективно применено только, когда приемная антенна отделена от передающей антенны и расположена на расстоянии, минимально необходимом для обеспечения требуемого уровня изоляции между антеннами, либо же применены некоторые специальные средства для увеличения изоляции между антеннами. Однако это часто неэффективно на практике, так как приводит к увеличению размера системы радиосвязи в целом или даже к необходимости разделения одного приемо-передающего устройства на независимые приемную и передающую части. Особенно это неэффективно для тех приложений радиосвязи, которые требуют использования высоконаправленных антенн, имеющих большую апертуру и высокий коэффициент усиления, что необходимо для увеличения дистанции системы радиосвязи.
Для разнесения приемного и передающего каналов при общей антенне возможно также и использование двух ортогональных поляризаций. Это может быть достигнуто, например, за счет двух линейных поляризаций, ортогональных друг другу, или за счет левой и правой круговых поляризаций. Разделение сигналов с различными ортогональными поляризациями производится в специальном устройстве - поляризационном селекторе (см. Фиг. 1(в)). Но уровень изоляции в таком устройстве обычно недостаточен для чистого разделения передаваемых и принимаемых сигналов.
Таким образом, устройство беспроводной связи, обеспечивающее дуплексный режим приема и передачи данных через общую антенну, должно в общем случае использовать специальный временной, частотный или поляризационный дуплексирующий блок (в соответствующих случаях такой блок представляет из себя переключатель, частотный диплексер и поляризационный селектор). Использование таких блоков часто бывает связано с некоторыми трудностями и приводит к возникновению дополнительных потерь в радиотракте системы связи, что особенно актуально для приложений микроволнового и миллиметрового диапазонов длин волн. Более того, в большинстве систем связи миллиметрового диапазона такие блоки, как диплексер или поляризационный селектор, реализуются в виде отдельных волноводных компонент, которые отличает массивность и относительная дороговизна производства. Это приводит к увеличению затрат на материалы, а также и трудовых затрат на изготовление и сборку приемо-передающих устройств систем радиосвязи миллиметрового диапазона длин волн.
Например, устройство радиосвязи миллиметрового диапазона длин волн с частотной схемой дуплексирования раскрыто в патенте США 8,090,411. Это устройство содержит антенну с входным портом, использующимся как для приема, так и для передачи сигнала, первый фильтр, предназначенный для пропускания сигнала в первой полосе частот и подавления сигналов на всех других частотах; второй фильтр, предназначенный для пропускания сигнала во второй полосе частот и подавления сигналов на всех других частотах, причем две полосы частот не пересекаются; и радиочастотные блоки приемника и передатчика для обработки принимаемого и передаваемого сигналов к или от цифрового модема соответственно.
Кроме того, первый фильтр соединен с радиочастотным блоком передатчика и входным портом антенны и пропускает передаваемый сигнал от радиочастотного блока передатчика на эту антенну, а второй фильтр соединен с радиочастотным блоком приемника и входным портом антенны и пропускает принимаемый сигнал от этой антенны на радиочастотный блок приемника. Оба фильтра и устройство объединения каналов функционально образуют частотный диплексер. Антенна при этом используется и на прием, и на передачу, причем на одной поляризации. Таким образом, раскрытое устройство требует использования высокодобротных фильтров. Такие фильтры независимо от способа реализации вносят потери в СВЧ тракт сигнала. Например, при реализации в виде волноводных резонаторов, данные потери на частотах 70-90 ГГц составляют около 1 дБ, что является приемлемым. Но с другой стороны, такой фильтр имеет значительный размер и требует использования точных и дорогостоящих технологий при производстве. Одновременно, фильтр с требуемым уровнем ослабления невозможно выполнить на планарной подложке (чтобы снизить стоимость и уменьшить габариты), так как в этом случае дополнительные потери на прохождение составят 5-10 дБ и более, что является неприемлемым.
Таким образом, существует потребность в устройстве беспроводной связи, в котором улучшено разнесение принимаемых и передаваемых сигналов за счет реализации продвинутых схем дуплексирования приемопередачи, обеспечивающих простоту сборки, достаточный уровень изоляции принимаемых и передаваемых сигналов, малые вносимые потери при низкой себестоимости изготовления.
Сущность изобретения
Задачей настоящего изобретения является создание устройства беспроводной связи с комбинированной частотно-поляризационной развязкой между передающим и приемным каналами.
Технический результат заявленного изобретения заключается в создании необходимого уровня изоляции между приемником и передатчиком при меньшем уровне вносимых потерь. Под необходимым понимается такой уровень изоляции, который позволяет подавить проникновение как основного, так и внеполосного сигнала и шума передатчика в приемник до безопасного уровня. Типично такой уровень изоляции составляет 50-100 дБ в зависимости от конкретных характеристик приемника и передатчика (а именно полосы сигнала, коэффициента шума приемника и передатчика, точки однодецибельной компрессии приемника, рабочего значения отношения сигнал-шум и т.д.). Как следствие, такое решение позволяет либо использовать стандартные волноводные технологии реализации фильтров, которые в данном случае имеют упрощенную структуру, либо открывает возможности к использованию более современных дешевых планарных технологий, что ранее было запретительно по причине высоких потерь.
Указанный технический результат достигается за счет того, что устройство беспроводной связи, содержащее антенну с двойной поляризацией и соответствующими первым и вторым портами, адаптированную для передачи сигнала на первой поляризации и для приема сигнала на второй поляризации, причем две поляризации по существу ортогональны друг другу; радиочастотные блоки приемника и передатчика для обработки принимаемого и передаваемого сигналов к/или от цифрового модема соответственно, причем дополнительно содержит первый фильтр, предназначенный для пропускания сигнала в первой полосе частот и подавления сигналов на всех других частотах; и второй фильтр, предназначенный для пропускания сигнала во второй полосе частот и подавления сигналов на всех других частотах, причем две полосы частот не пересекаются; при этом первый фильтр соединен с радиочастотным блоком передатчика и первым портом антенны с двойной поляризацией и выполнен с возможностью пропускания передаваемого сигнала от радиочастотного блока передатчика на эту антенну, а второй фильтр соединен с радиочастотным блоком приемника и вторым портом антенны с двойной поляризацией и выполнен с возможность пропускания принимаемого сигнала от этой антенны на радиочастотный блок приемника.
Задача настоящего изобретения достигнута за счет высокого уровня изоляции между радиочастотными блоками передатчика и приемника, который обеспечивается комбинацией уровня кросс-поляризационной развязки антенны с двойной поляризацией, и изоляции двух фильтров, осуществляющих разделение двух полос частот. Это облегчает требования к фильтрам в зависимости от уровня кросс-поляризационной развязки антенны. Более конкретно, в этом случае обеспечивается уменьшение порядка фильтров, что приводит к уменьшению уровня вносимых потерь. Также нет необходимости объединения трактов приема и передачи сигналов в общий антенный тракт, как это делается в классических системах радиосвязи с частотным, временным или поляризационным дуплексированием приемопередачи.
В варианте практической реализации настоящего изобретения, радиочастотные блоки передатчика и приемника реализованы каждый в виде модуля на печатной плате.
В другой реализации, оба радиочастотных блока реализованы на одной печатной плате. Элементы радиотрактов (смесители, усилители и т.д. или интегрированный приемопередатчик) реализованы в виде полупроводниковых интегральных микросхем, которые устанавливаются на печатной плате.
В частном случае реализации заявленного изобретения, первый и второй фильтры реализованы на тех же печатных платах, что и радиочастотные блоки. При этом фильтры выполняются как некоторая распределенная структура, элементы которой определяются в зависимости от рабочей частоты и наиболее эффективной и доступной технологии.
В еще одном варианте конкретной реализации заявленного технического решения, первый и второй фильтры реализованы в структурах поверхностного волновода, выполненных на печатных платах.
В еще более конкретной реализации, первый и второй фильтры представляют собой набор связанных резонаторов, которые сформированы с помощью переходных отверстий в структурах поверхностных волноводов.
Разработанное устройство беспроводной связи может дополнительно содержать переходы с микрополосковой линии на поверхностный волновод, соединяющие фильтры и радиочастотные блоки, а также фильтры и порты антенны.
В другой реализации, антенна с двойной поляризацией содержит микрополосковый антенный элемент с двумя поляризациями, реализованный на той же печатной плате вместе с радиочастотными блоками и фильтрами. Таким образом, в этой реализации радиочастотные блоки передатчика и приемника, фильтры на поверхностных волноводах и антенный элемент с двойной поляризацией реализованы на одной печатной плате, и более не требуется дополнительных элементов или устройств в системе радиосвязи для обеспечения дуплексной приемопередачи. Это значительно снижает себестоимость системы, ее размеры, а также и облегчает процесс сборки. Микрополосковый антенный элемент с двойной поляризацией имеет два входных порта, каждый их которых предназначен для сигналов с одной из двух ортогональных поляризаций.
В конкретных реализациях, такой антенный элемент может представлять собой микрополосковый антенный элемент с прямым подведением сигнала микрополосковыми линиями к излучающему элементу, микрополосковый антенный элемент с электромагнитным взаимодействием излучающего элемента и подводящих микрополосковых линий посредством щелевых апертур в слое земли, микрополосковый антенный элемент с подведением сигнала методом микрополосковых линий на среднем уровне металлизации платы между излучающим элементом и слоем земли, или микрополосковый антенный элемент с подведением сигнала посредством переходных отверстий, соединяющих подводящие микрополосковые линии и излучающий элемент. Излучающий элемент при этом может иметь различную форму, в конкретных реализациях, например, прямоугольную, квадратную, круглую, эллиптическую, треугольную и т.д.
В еще одной конкретной реализации, антенна с двойной поляризацией представляет собой интегрированную линзовую антенну, содержащую диэлектрическую линзу и первичный облучатель с двойной поляризацией, выполненный на печатной плате, установленной непосредственно на плоской поверхности линзы. В этой реализации, линзовая антенна с двойной поляризацией обеспечивает высокий коэффициент усиления и, тем самым, большее расстояние для высокоскоростной передачи данных. Первичный облучатель с двойной поляризацией при этом может быть выполнен как микрополосковый антенный элемент любой структуры, например одной из указанных выше. Установка такого элемента на поверхность линзы обеспечивает наилучшие характеристики всей линзовой антенны.
В других реализациях используются различные известные антенны и антенные элементы с двойной поляризацией, например параболическая зеркальная антенна с облучателем с двойной поляризацией, которым может служить рупорная антенна.
В еще одной реализации, первый и второй фильтры реализованы в виде металлизированных волноводных блоков. В более конкретных реализациях, разработанное устройство беспроводной связи содержит волноводно-микрополосковые переходы между радиочастотными блоками, выполненными на печатных платах, и указанными фильтрами. В некоторых реализациях, антенна с двойной поляризацией может дополнительно содержать поляризационный селектор для разделения двух сигналов с ортогональными поляризациями, причем указанный поляризационный селектор соединен с первым и вторым фильтрами.
В другой конкретной реализации, добротности первого и второго фильтров отличаются, соответственно, отличаются и порядки фильтров. В этой реализации дополнительно уменьшаются потери в том радиотракте системы радиосвязи, в котором порядок фильтра меньше.
В одной из реализаций, первая и вторая поляризации являются линейными поляризациями, по существу ортогональными друг другу.
В другой реализации, первая и вторая поляризации являются левой и правой круговыми поляризациями по существу, ортогональными друг другу. Однако в последнем случае, очевидно, поляризационная развязка значительно меньше, чем в первом.
В еще одной конкретной реализации, устройство беспроводной связи адаптировано для работы в полосах частот 71-76 ГГц и 81-86 ГГц.
В другой реализации, устройство беспроводной связи адаптировано для работы в полосах частот 57-59.5 ГГц и 61.5-64 ГГц. Эти полосы выделены во многих странах мира для использования высокоскоростными системами радиосвязи типа «точка-точка», которые особенно чувствительны к необходимости использования диплексеров и поляризационных селекторов, вносящих дополнительные потери. Типичный уровень изоляции между передатчиком и приемником в таких системах радиосвязи составляет 60 дБ и более, что может быть эффективно обеспечено в разработанном устройстве беспроводной связи.
В еще одной конкретной реализации, антенна разработанного устройства беспроводной связи имеет коэффициент усиления более 38 дБ и для каждой из двух поляризаций, что стандартно необходимо для обеспечения большого расстояния, на которое может быть передан с высокой пропускной способностью сигнал миллиметрового диапазона длин волн.
В еще одной конкретной реализации, устройство по настоящему изобретению адаптировано для использования в радиорелейных системах радиосвязи типа «точка-точка» и обеспечивает скорость передачи данных более 1 Гигабита в секунду.
Краткое описание чертежей
Детали, признаки, а также преимущества настоящего изобретения следуют из нижеследующего описания реализации заявленного технического решения и чертежей, на которых показано:
Фиг. 1 - известные устройства систем радиосвязи, обеспечивающие дуплексные передачу и прием сигналов;
Фиг. 1(a) - система с временным дуплексированием;
Фиг. 1(б) - система с частотным дуплексированием;
Фиг. 1(в) - система с поляризационным дуплексированием;
Фиг. 2 - общая схема устройства системы радиосвязи в соответствие с одним из вариантов реализации настоящего изобретения;
Фиг. 3 - непересекающиеся полосы частот передаваемого и принимаемого сигналов в системе радиосвязи с частотным дуплексированием;
Фиг. 4 - фотография радиочастотных блоков приемника и передатчика, реализованных на отдельных печатных платах, которые установлены на волноводную структуру, содержащую дуплексирующие фильтры;
Фиг. 5 - структура поверхностного волновода, выполненная на печатной плате;
Фиг. 6(а) - структура фильтра на поверхностном волноводе, выполненного на печатной плате;
Фиг. 6(б) - фильтр на поверхностном волноводе и переходы с микрополосковой линии на поверхностный волновод, соединенные с входом и выходом фильтра;
Фиг. 7 - варианты микрополосковых антенных элементов с двойной поляризацией:
Фиг. 7(а) - микрополосковый антенный элемент с прямым подведением сигнала микрополосковыми линиями к излучающему элементу;
Фиг. 7(б) - микрополосковый антенный элемент с подведением сигнала методом микрополосковых линий на среднем уровне металлизации платы между излучающим элементом и слоем земли;
Фиг. 7(в) - микрополосковый антенный элемент с электромагнитным взаимодействием излучающего элемента и подводящих микрополосковых линий посредством щелевых апертур в слое земли;
Фиг. 7(г) - микрополосковый антенный элемент с подведением сигнала посредством переходных отверстий, соединяющих подводящие микрополосковые линии и излучающий элемент;
Фиг. 8 - интегрированная линзовая антенна с печатной платой, на которой реализован первичный облучатель с двойной поляризацией;
Фиг. 9 - печатная плата, на которой, в соответствие с одной из реализаций настоящего изобретения, выполнены микрополосковый антенный элемент с двойной поляризацией и два фильтра на поверхностных волноводах, соединенные с радиочастотными блоками приемника и передатчика;
Фиг. 10 - схема устройства беспроводной связи в соответствие с одной из реализаций настоящего изобретения, которая содержит поляризационный селектор.
На чертежах цифрами обозначены следующие позиции:
10 - цифровой модем; 20 - цифроаналоговый преобразователь; 30 - аналого-цифровой преобразователь; 40 - радиочастотный блок передатчика; 41 - передатчик; 42 - печатная плата; 43 - переходные отверстия; 44 - нижняя металлизация; 45 - верхняя металлизация; 46 - связанные резонаторы; 47 - микрополосковая линия; 48 - переходы с поверхностного волновода на микрополосковую линию; 50 - радиочастотный блок приемника; 51 - приемник; 52 - печатная плата; 53 - излучатель; 54 - порт 1; 55 - порт 2; 56 - земля РЧ; 61 - переключатель; 62 - диплексер; 63 - поляризационный селектор; 70 - антенна с одной поляризацией; 79 - антенный элемент; 80 - металлическая волноводная структура; 81 - независимый фильтр 1; 82 - независимый фильтр 2; 90 - двухполяризационная антенна; 91 - первичный облучатель; 92 - линза; 100 - устройство системы радиосвязи; 200 - устройство беспроводной радиосвязи; 300 - устройство беспроводной радиосвязи; 400 - устройство беспроводной связи; 500 - устройство беспроводной связи.
Раскрытие изобретения
Настоящее изобретение может быть более детально понято из последующего описания некоторых реализаций устройства беспроводной связи с частотно-поляризационной развязкой между передающим и приемным каналами на примерах адаптации для использования в высокоскоростных системах радиосвязи типа «точка-точка» миллиметрового диапазона длин волн.
Устройство беспроводной связи по настоящему изобретению обеспечивает необходимый уровень изоляции между передатчиком и приемником с меньшим уровнем вносимых потерь, а также предполагает меньше ресурсных и трудовых затрат на изготовление и сборку приемо-передающего устройства миллиметрового диапазона длин волн.
На Фиг. 1 проиллюстрированы схемы известных из уровня техники устройств беспроводной связи с различными способами разнесения принимаемых и передаваемых сигналов. Устройство (100), показанное на Фиг. 1(a), использует схему временного разнесения (дуплексирования). Оно состоит из цифрового модема (10), осуществляющего необходимые алгоритмы цифровой обработки сигналов, цифроаналогового (ЦАП) (20) и аналого-цифрового (АЦП) (30) преобразователей, радиочастотных блоков передатчика (40) и приемника (50), антенны с одной поляризацией (70), а также дуплексирующее устройство, в данном конкретном случае - переключатель (61). Переключатель (61) выполняет соединение в нужные моменты времени радиочастотных блоков и общей антенны для передачи и приема сигнала.
Устройство (100), показанное на Фиг. 1(а), является классическим приемопередатчиком с временным дуплексированием, широко используемым в системах радиосвязи.
На Фиг. 1(б) проиллюстрировано устройство беспроводной радиосвязи (200), использующее схему частотного разнесения приема и передачи данных. Оно состоит из тех же самых элементов и блоков, кроме того, что в нем используется диплексер (62) вместо переключателя (61).
Диплексер (62) выполняет разделение сигналов, занимающих различные полосы частот. Устройство беспроводной связи (300) с поляризационным разнесением приема и передачи показано в свою очередь на Фиг. 1(в). В качестве дуплексирующего устройства оно использует поляризационный селектор (63). Данный селектор разделяет два сигнальных потока, которые при излучении и приеме общей антенной имеют ортогональные поляризации.
На Фиг. 2 показана общая схема устройства беспроводной связи (400) в соответствии с одной из реализаций настоящего изобретения. В этом устройстве блок цифрового модема (10) соединен с блоками цифроаналогового преобразователя ЦАП (20) и аналого-цифрового преобразователя АЦП (30) и выполняет генерацию (модуляцию) цифрового сигнала для последующей передачи и, обратно, демодуляцию принятого системой сигнала. Передаваемый сигнал затем преобразовывается в блоке ЦАП (20) в аналоговый сигнал, занимающий некоторую полосу около нулевой частоты или некоторой низкой частоты. АЦП (30) выполняет обратную операцию с принятым сигналом до того, как последний будет отправлен на обработку в цифровой модем (10).
Блоки ЦАП (20) и АЦП (30) соединены соответственно с радиочастотными блоками передатчика (40) и приемника (50). Блок (40) переносит аналоговый сигнал на высокую несущую частоту, а блок (50), наоборот, формирует низкочастотный аналоговый сигнал из поступающего принятого сигнала на высокой несущей частоте. До этого момента рассмотренные преобразования являются стандартными для известных цифровых беспроводных систем связи, включая системы типа «точка-точка» миллиметрового диапазона длин волн. В этих известных системах дуплексный режим приемопередачи обеспечивается дуплексирующим устройством с общим портом, подключенным к антенне, как описано выше.
Разработанное устройство беспроводной связи (400) отличается наличием двух независимых фильтров (81) и (82), включенных между двухполяризационной антенной (90) и радиочастотными блоками (40) и (50). Первый фильтр (81) предназначен для пропускания передаваемого сигнала на первый порт двухполяризационной антенны (90) в первой полосе частот F1, выделенной для системы радиосвязи с частотным дуплексированием, а второй фильтр (82) предназначен для пропускания принятого двухполяризационной антенной (90) сигнала из ее второго порта во второй полосе частот F2. Полосы частот F1 и F2 не пересекаются. Антенна с двойной поляризацией (90) имеет два порта, каждый из которых используется для возбуждения одной из двух ортогональных поляризаций. Одна поляризация предназначена для передачи сигнала в первой полосе частот F1, а вторая поляризация - для приема сигнала во второй полосе частот F2.
Преимущество рассмотренной реализации настоящего изобретения заключается в том, что уровень изоляции передаваемого и принимаемого сигналов обеспечивается одновременно фильтрами (81) и (82) и кросс-поляризацией двухполяризационной антенны (90). Рассмотренное устройство беспроводной связи обеспечивает меньший уровень вносимых потерь за счет использования менее добротных фильтров и эффективной антенны с двойной поляризацией.
Уровень изоляции между каналами передачи и приема может быть определен так, как это показано на Фиг. 3. Спектры передаваемого (Тх) и принимаемого (Rx) сигналов показаны на данной фигуре в нормированном виде. Они занимают непересекающиеся полосы частот F1 и F2 соответственно. Также показано, что передаваемый сигнал имеет максимум излучаемой мощности в полосе F1, но также и некоторый уровень побочного внеполосного излучения (или шума) на соседних частотах. Вследствие этого, некоторая мощность шума от передатчика может проникать в цепь приемника в полосе F2, что способно значительно ухудшить качество принимаемого сигнала. Уровень такого проникновения мощности передатчика в полосе F2 полностью определяется селективными схемами в радиочастотном тракте приемопередатчика и типично должен быть равен значению в -50 - -100 дБ и менее от уровня внеполосного излучения передатчика в полосе F2. Например, в рассмотренной реализации настоящего изобретения уровень изоляции в 60 дБ может быть достигнут комбинированием 30 дБ изоляции, обеспеченной фильтрами, и 30 дБ уровнем кросс-поляризационной развязки антенны с двойной поляризацией. Также возможны и любые другие соотношения между уровнями изоляции фильтров и кросс-поляризационной развязки.
В одной из реализаций изобретения, радиочастотные блоки передатчика (40) и приемника (50) выполнены в виде модулей на печатных или керамических платах.
Один пример такой реализации радиочастотных блоков (40) и (50) показан на Фиг. 4. Основными функциональными элементами радиочастотных блоков в рассматриваемой реализации являются полупроводниковые интегральные микросхемы ВЧ передатчика (41) и приемника (51). Эти микросхемы в данном примере работают в полосе частот 57-64 ГГц и являются некорпусированными микросхемами. Микросхемы радиочастотных передатчика (41) и приемника (51) установлены на две печатные платы (42 и 52) с помощью технологии проволочного соединения. Таким образом, сформированы радиочастотные блоки передатчика (40) и приемника (50).
Коннекторы, а также и схемы питания и контроля также установлены на печатных платах (42) и (52). СВЧ линии, передающие сигнал на несущей частоте, соединены через волноводно-микрополосковый переход с фильтрами (81) и (82), реализованными в металлической волноводной структуре (80).
Еще одним преимуществом разработанного устройства беспроводной связи является уменьшение ресурсных и трудовых затрат на изготовление и сборку приемопередатчика миллиметрового диапазона длин волн. Это эффективно обеспечивается в реализации, когда фильтры (81 и 82) выполнены по планарной технологии на той же самой печатной плате, что и радиочастотные блоки приемника и передатчика.
wg
wg
Например, планарный фильтр может быть реализован в структуре поверхностного волновода, показанного на Фиг. 5. Поверхностный волновод - это волновод прямоугольного сечения, сформированный в структуре печатной платы (42) с помощью двух уровней металлизации (сверху (45) и снизу (44)) и двух параллельных линий переходных отверстий (43) с малыми расстояниями между друг другом во избежание утечки распространяющейся по волноводу волны. Таким образом, поверхностный волновод является волноводом с диэлектрическим заполнением, а важнейшее его конкурентное преимущество - в реализации с помощью стандартной дешевой и массовой технологии печатных плат. Структура такого волновода может быть изготовлена на любой печатной плате (включая многослойные) между любыми двумя уровнями металлизации. Длина L и ширина Т (равная толщине платы между двумя уровнями металлизации (44) и (45)) сечения поверхностного волновода определяют критические частоты для каждой моды электромагнитного поля и, таким образом, полосу пропускания, в которой только основная ТЕ10 мода является распространяющейся. В практических реализациях, например, для диапазона частот 60-90 ГГц ширина волновода Г лежит обычно в диапазоне значений 0.1-0.5 мм, а длина L составляет всего порядка нескольких миллиметров (конкретные значения зависят от диэлектрических свойств печатной платы). Размер поверхностного волновода, таким образом, меньше в сравнении с традиционными металлическими прямоугольными волноводами, которые заполнены воздухом.
В соответствии с одной из реализаций настоящего изобретения, первый и второй фильтры (81) и (82) являются фильтрами на поверхностных волноводах, представляющими собой группу связанных резонаторов (46). Такие резонаторы (46) формируются набором переходных отверстий (43) в теле поверхностного волновода.
Пример фильтра в соответствии с данной реализацией показан на Фиг. 6(a). Показаны переходные отверстия (43), формирующие связанные резонаторы (46) и выполненные в теле поверхностного волновода. Каждый резонатор по существу является частью канала поверхностного волновода, ограниченной набором дополнительных переходных отверстий, расположенных внутри волноводного канала. Эти дополнительные переходные отверстия формируют частичные перегородки в волноводном канале с некоторым окном. Резонансная частота и добротность каждого резонатора определяются расстоянием между переходными отверстиями (43), расположенными вдоль волновода, и размером окна между переходными отверстиями, расположенными в одном перпендикулярном сечении волновода. Так, эквивалентная электрическая резонансная длина волны соответствует в общем случае удвоенной длине резонатора. Добротность же резонатора тем выше, чем меньше размер окна в переходных отверстиях. Типично, в случае рассматриваемых многорезонансных схем, размер окна и добротность, а также и резонансные частоты каждого резонатора, подбираются в процессе оптимизации с помощью специальных программных средств в ходе проведения электродинамического моделирования. Это позволяет учесть все сложные эффекты, связанные с влиянием резонаторов друг на друга, которые не могут быть учтены аналитически.
Количество резонаторов (46) в каждом фильтре определяет порядок фильтра. С увеличением порядка фильтра возможно достижение большей добротности и изоляции в полосе запирания, но за счет больших потерь в полосе пропускания. Это является основной причиной того, что диплексеры на поверхностных волноводах, обеспечивающие требуемый уровень изоляции для системы связи с чисто частотным дуплексированием, также имеют и неприемлемо высокий уровень вносимых потерь. Обычно в системах радиосвязи миллиметрового диапазона длин волн для получения изоляции в 50-100 дБ необходимо применение фильтров с порядком от 7 и до 12-14. В разработанном изобретении порядок фильтров и, следовательно, потери значительно уменьшены в зависимости от уровня кросс-поляризационной развязки, обеспечиваемого антенной с двойной поляризацией.
На Фиг. 6(б) показана структура фильтра на поверхностном волноводе в соответствии с другой реализацией изобретения, в которой вход и выход фильтра соединены с переходами (48) на микрополосковую линию (47). Такие переходы (48) на микрополосковую линию (47) (или, в альтернативных реализациях, на другие типы планарных линий) необходимы для подведения сигнала к различным планарным антенным элементам и к различным СВЧ микросхемам, формирующим радиочастотные блоки. Например, микрополосковая линия (47) служит для возбуждения микрополосковых антенных элементов, которые могут быть легко адаптированы для обеспечения радиосвязи по двум поляризациям.
В различных реализациях могут быть использованы различные микрополосковые антенные элементы с двойной поляризацией. Так, на Фиг. 7(а) показан микрополосковый антенный элемент с прямым подведением сигнала микрополосковыми линиями (47) к излучающему элементу (53), на Фиг. 7(б) - микрополосковый антенный элемент с подведением сигнала методом микрополосковых линий (47) не среднем уровне металлизации платы (52) между излучающим элементом (53) и слоем земли (56), на Фиг. 7(в) - микрополосковый антенный элемент с электромагнитным взаимодействием излучающего элемента (53) и подводящих микрополосковых линий (47) посредством щелевых апертур в слое земли (56), а на Фиг. 7(г) - микрополосковый антенный элемент с подведением сигнала посредством переходных отверстий (43), соединяющих подводящие микрополосковые линии (47) и излучающий элемент (53).
Микрополосковые антенные элементы просты в изготовлении не печатной плате и имеют хорошие и устойчивые к неточностям при изготовлении характеристики. В одной из реализаций настоящего изобретения микрополосковый антенный элемент с двойной поляризацией выполнен на одной печатной плате вместе с радиочастотными блоками и фильтрами.
В другой реализации разработанного устройстве беспроводной связи антенна с двойной поляризацией (90) является интегрированной линзовой антенной, содержащей диэлектрическую линзу (92) и первичный облучатель (91) с двойной поляризацией, выполненный на печатной плате (52), установленной на плоской поверхности линзы (см. Фиг. 8). Антенна (90) в этой реализации обеспечивает высокое значение коэффициента усиления, что увеличивает дальность работы системы радиосвязи.
Использование именно интегрированной линзовой антенны позволяет обеспечить дополнительные преимущества, заключающиеся в увеличенной апертурной эффективности, а также в упрощении процесса сборки и уменьшении размеров приемо-передающего устройства. Это особенно актуально для приложений радиосвязи миллиметрового диапазона длин волн, где использование антенн с большим значением коэффициента усиления является обязательным (например, для систем радиорелейной связи). Линза в различных реализациях может быть изготовлена из однородного диэлектрического материала, например политетрафторэтилена, рексолита, кварцевого стекла, полиэтилена, полиамида, поликарбоната, высокорезистивного кремния и т.д. Печатная плата в такой реализации закреплена на плоской поверхности линзы с помощью винтов или любым другим способом. Дополнительно можно отметить, что линза имеет коллимирующую часть, непосредственно осуществляющую фокусирование узкого луча, и часть продолжения, на которой и выполнена плоская поверхность. Часть продолжения линзы не участвует в формировании узкого луча диаграммы направленности и, поэтому, ее форма может быть модифицирована разными способами для облегчения интеграции антенны в различные корпусы устройств беспроводной связи.
В одной из более конкретных реализаций настоящего изобретения первичный облучатель с двойной поляризацией в интегрированной линзовой антенне является микрополосковым антенным элементом. Такой элемент при установке на поверхность линзы имеет низкий уровень обратного излучения, так как содержит в своей структуре большой металлический экран, выполняющий роль СВЧ земли. Такие свойства облучателя увеличивают коэффициент усиления линзовой антенны.
Аналогично изображенным на Фиг. 7 антенным элементам, первичный облучатель может быть выполнен с использованием различных способов подведения сигнала. Единственный нюанс заключается в том, что при разработке и оптимизации необходимо учитывать, что антенный элемент излучает сигнал в линзу со специфическими диэлектрическими свойствами, а не в воздух. В то же время, возможно и использование любых других планарных первичных облучателей с двойной поляризацией.
В одной из реализаций первичный облучатель с двойной поляризацией выполнен на той же плате вместе с фильтрами и радиочастотными блоками, причем плата установлена на плоскую поверхность линзы. Эта реализация является наиболее практичной для устройств радиосвязи с частотным дуплексированием приемопередачи, так как исключает использование традиционных металлических волноводных фильтров и диплексера.
Пример печатной платы (52) с микрополосковым антенным элементом с прямым подведением сигнала микрополосковыми линиями (47) и двумя фильтрами (81) и (82) на поверхностных волноводах с соответствующими концевыми переходами на микрополосковую линию (48) показан на Фиг. 9. Радиочастотные блоки приемника (50) и передатчика (40) не показаны на данной иллюстрации, так как их реализация и способ установки на плату могут быть различны. В представленной конфигурации линза располагается с той стороны платы, которая содержит микрополосковый первичный облучатель (53), излучающий сигнал в тело линзы. В этом случае для установки радиочастотных блоков приемника (50) и передатчика (40), выполненных в одной из реализаций в виде интегральных монолитных микросхем, на печатную плату (52) могут быть выполнены дополнительные полости на плоской поверхности линзы. Эти полости могут быть покрыты металлом для предотвращения паразитного излучения в тело линзы, вызванного наличием межсоединений микросхем с платой. В других реализациях могут быть использованы микрополосковые облучатели на основе антенных элементов с подведением сигнала через щелевую апертуру или переходное отверстие (показаны соответственно на Фиг. 7(в) и 7(г)). В этих случаях фильтры и микросхемы СВЧ приемника и передатчика будут расположены с обратной стороны платы по отношению к излучающему элементу (53) и, следовательно, к линзе. Тогда дополнительные полости на плоской поверхности линзы не требуются.
Другие типы антенн с двойной поляризацией и большим значением коэффициента усиления могут использоваться в других реализациях разработанного устройства беспроводной связи. Например, это могут быть другие типы линзовых антенн (тонкие линзы, линзы Люнеберга и т.д.), параболические зеркальные антенны, антенны Кассегрейна с облучателем с двойной поляризацией. Такой облучатель может содержать в некоторых случаях рупорный антенный элемент с круглым или прямоугольным раскрывом.
В другой реализации первый и второй фильтры (81) и (82) выполнены в виде компонента на металлических волноводах. Для того чтобы пропустить сигнал с такого волновода на микрополосковую линию и обратно, могут использоваться волноводно-микрополосковые переходы между волноводными фильтрами (81) и (82) и радиочастотными блоками передатчика (40) и приемника (50), которые выполнены на печатных платах.
В более конкретных реализациях антенна с двойной поляризацией (90) включает поляризационный селектор (63), необходимый для разделения сигналов с ортогональными поляризациями, причем указанный селектор (63) соединен с первым и вторым фильтрами (81) и (82). Поляризационный селектор (63) в этом случае выполнен также в виде компоненты на металлических волноводах. В данной реализации излучающий антенный элемент (79) имеет один входной порт для обеих поляризаций (то есть через данный порт могут быть переданы сигналы с двумя ортогональными поляризациями). Общая схема разработанного устройства беспроводной связи (500) в рассмотренной реализации представлена на Фиг. 10.
В соответствии с еще одной реализацией первый и второй фильтры, соединенные с радиочастотными блоками приемника и передатчика, могут иметь различную добротность и, следовательно, порядок. Это обеспечивает дополнительное преимущество, заключающееся в уменьшении вносимых потерь в тот тракт сигнала (приемный или передающий), в котором требования к изоляции снижены и используется фильтр меньшего порядка.
В конкретных реализациях первая и вторая поляризации являются линейными поляризациями, по существу ортогональными друг другу. В других реализациях первая и вторая поляризации являются левой и правой круговыми поляризациями, по существу ортогональными друг другу. Чем больше уровень кросс-поляризационной развязки в антенне, тем меньшие потери в фильтрах могут быть достигнуты.
В одном из аспектов настоящего изобретения, устройство беспроводной связи адаптировано для работы в парном диапазоне частот 71-76 ГГц/81-86 ГГц. В другом аспекте устройство беспроводной связи адаптировано для работы в парном диапазоне 57-59.5 ГГц/61.5-64 ГГц. Эти диапазоны выделены во многих странах мира для высокоскоростных радиорелейных систем связи типа «точка-точка». Требуемый уровень изоляции между передатчиком и приемником в таких системах обычно более 60 дБ, что может быть эффективно достигнуто в разработанном устройстве беспроводной связи.
В еще одной конкретной реализации антенна с двойной поляризацией имеет коэффициент усиления более 38 дБ и для каждой из поляризаций. Ширина диаграммы направленности антенны с таким коэффициентом усиления составляет менее 2 градусов, что обеспечивает низкий уровень интерференционных помех между двумя устройствами беспроводной связи, даже если они расположены близко друг к другу в пространстве. Большое значение коэффициента усиления также необходимо и для обеспечения большой дальности системы радиосвязи с высокой пропускной способностью.
Разработанное устройство по любой из реализаций может быть адаптировано для радиорелейных систем связи типа «точка-точка» с пиковой пропускной способностью более 1 Гигабита в секунду.
Настоящее изобретение не ограничено конкретными вариантами реализации, раскрытыми в данном описании лишь в иллюстративных целях, и охватывает все модификации и варианты, не выходящие за рамки объема и сущности изобретения, которые определены указанной формулой изобретения.