УСТРОЙСТВО ДЛЯ ФОРМИРОВАНИЯ ПОЛЯРИЗАЦИИ РАДИОСИГНАЛОВ (ВАРИАНТЫ)

Полезная модель относится к радиотехнике и может быть использована в антенных системах для формирования и управления поляризацией сигналов, излучаемых приемно-передающими антеннами с двумя ортогональными по поляризации излучающими элементами.
В сотовой связи различных стандартов для увеличения энергетики связи от абонента к базовой станции предусмотрен так называемый «разнесенный прием». То есть, флюктуирующий сигнал абонентской радиостанции принимается на две антенны. Приемная система автоматически выбирает больший из сигналов, что обеспечивает в среднем выигрыш на 3-5 дБ в энергетике принимаемого сигнала.
В последние годы все операторы сотовой связи перешли от оборудования пространственного разнесения антенн к поляризационному разнесению, т.е. приему сигнала абонентского аппарата двумя антеннами с ортогональными поляризациями. Излучающие элементы этих антенн повернуты на плюс и минус 45 градусов относительно вертикали (X-поляризованные антенны). Излучающие элементы обоих антенн размещаются в едином корпусе. Таким образом, для обеспечения работы одного сектора базовой станции достаточно установки одной антенны, подключенной к базовой станции двумя кабелями, обеспечивающими работу приемопередающей аппаратуры базовой станции с использованием одного и другого плеча X-поляризационной антенны.
Частоты для сетей сотовой связи в стандарте GSM 900 предоставляются на вторичной основе, с учетом эксплуатации других радиоэлектронных средств (РЭС) гражданского и военного назначения. В итоге, на ряд базовых станций накладываются ограничения на мощность излучения горизонтальной составляющей вектора поляризации, наиболее часто используемой для РЭС другого назначения. Для X-поляризованных антенн эти ограничения могут быть настолько обширны и значительны по величине, что делают нецелесообразным их использование в ряде районов, например вблизи аэропортов, объектов специального назначения и т.п.
Поэтому актуальна задача создания устройства для формирования вертикальной поляризации сигналов, излучаемых X-поляризованными антеннами. Одновременно такое устройство должно обеспечивать прохождение без потерь сигналов, принимаемых X-поляризованными антеннами для реализации разнесенного приема без снижения его эффективности.
Известно устройство EG 100.9032, производимое фирмой «EG Cellular Components» (Швеция). Устройство содержит гибридный мост (ГМ), четыре дуплексных фильтра (ДФ), позволяющих обеспечить разделение режимов приема и передачи. ГМ объединяет сигналы передатчиков с первого и второго выходов приемопередающей аппаратуры (ППА). Устройство также содержит согласованную нагрузку, поглощающую половину мощности после суммирования ГМ, и делитель, подключенный через дуплексные фильтры (ДФ) к плечам X-поляризованной антенны. Сигналы, принимаемые X-поляризованной антенной, отделяются дуплексными фильтрами (ДФ) от излучаемых сигналов и передаются на первый и второй входы приемопередающей аппаратуры базовой станции без искажений.
Ограничением этого устройства являются сложность, большой вес и габариты, а также достаточно большие потери. Суммарные потери на прием в такой схеме составляют 1 дБ и 4,5 дБ - на передачу. Эти недостатки в основном определяются использованием в схеме четырех дуплексных фильтров (ДФ), т.е. дорогих, имеющих значительный вес и габариты функциональных узлов.
Известно устройство для формирования поляризации радиосигналов приемопередатчиков, содержащие X-поляризованную антенну, гибридный мост, фазовращатель, базовую станцию, выполненную с первым входом/выходом приемопередающей аппаратуры, первое плечо гибридного моста подсоединено к первому входу/выходу приемопередающей аппаратуры базовой станции. (RU, №22963980).
В известном устройстве базовая станция выполнена с двумя входами/выходами для подсоединения ее приемо-передающей аппаратуры. Кроме того, устройство содержит второй гибридный мост, второй фазовращатель и вентиль.
Первое и второе плечо первого гибридного моста соответственно подсоединены к первому и второму входам/выходам приемо-передающей аппаратуры базовой станции, третье плечо первого гибридного моста соединено через первый фазовращатель с первым плечом второго гибридного моста, а четвертое плечо первого гибридного моста соединено через вентиль со вторым плечом второго гибридного моста. Вентиль установлен в обратном направлении, обеспечивающем передачу радиосигнала от второго гибридного моста к первому. Третье плечо второго гибридного моста подсоединено к одному антенному элементу X-поляризованной антенны через второй фазовращатель, а четвертое плечо второго гибридного моста подсоединено к другому антенному элементу X-поляризованной антенны.
Сложность схемы построения устройства обусловлена желанием сохранить тип поляризации антенны на прием, то есть две наклонные линейные поляризации ±45°, что обеспечивает работу системы разнесенного приема.
Сравнение выигрыша от разнесения в линейном базисе для наклонных поляризаций ±45°, а также для вертикальной и горизонтальной поляризации приведены в работе Jukka J.A и др. (Jukka J.A. Lempiainen and Jaana K. Laiho-Steffens, «The Performance of Polarizatiin Diversity Schemea at a Base Station…», IEEE Transactions Veh. Technol, vol. 47, no. 3, 1998).
В этом источнике информации было показано, что в среднем выигрыш от использования разнесенного приема с использованием двух ортогональных линейных поляризации ±45° эквивалентен выигрышу при использовании вертикальной и горизонтальной поляризации (0° и 90°), либо двух круговых типов поляризации - левой и правой круговой поляризации.
Для конкретных условий распространения радиоволн от абонента к антенне базовой станции величина выигрыша может незначительно варьироваться в одну либо в другую сторону на величину ±0,5дБ.
Такая инвариантность выбора типов поляризации позволяет значительно упростить функциональную схему ближайшего аналога.
Кроме того, в настоящее время в большинстве базовых станций сигналы всех передатчиков собраны на один вход/выход, а не распределены на два входа/выхода, как ранее, что так же позволяет упростить устройство.
Наиболее близким является устройство для формирования поляризации радиосигналов (варианты). (RU, №116699, U1, H01Q 21/00, опубл. 27.05.2012.)
По первому варианту выполнения устройства оно содержит X-поляризованную антенну, выполненную из двух антенных элементов, гибридный мост, фазовращатель, базовую станцию, выполненную с первым входом/выходом приемопередающей аппаратуры и со вторым входом приемной аппаратуры, первое плечо гибридного моста подсоединено к первому входу/выходу приемопередающей аппаратуры базовой станции, а второе плечо гибридного моста подсоединено ко второму входу/выходу приемопередающей аппаратуры базовой станции, третье плечо гибридного моста подсоединено к первому антенному элементу X-поляризованной антенны через фазовращатель, а четвертое плечо гибридного моста подсоединено ко второму антенному элементу X-поляризованной антенны.
По второму варианту выполнения устройства оно содержит X-поляризованную антенну, выполненную из двух антенных элементов, гибридный мост, фазовращатель, базовую станцию, выполненную с первым входом/выходом приемопередающей аппаратуры и со вторым входом приемной аппаратуры, первое плечо гибридного моста подсоединено к первому входу/выходу приемопередающей аппаратуры базовой станции, а второе плечо гибридного моста подсоединено ко второму входу приемопередающей аппаратуры базовой станции, третье плечо гибридного моста подсоединено к первому антенному элементу X-поляризованной антенны, а четвертое плечо гибридного моста подсоединено ко второму антенному элементу X-поляризованной антенны через фазовращатель.
Кроме того, устройство по первому и второму варианту ближайшего аналога может иметь полосовой фильтр, и второе плечо гибридного моста соединено со вторым входом приемопередающей аппаратуры через него. Такой полосовой фильтр отражает сигналы на частотах передающего канала, имеющих ограничения на излучение сигналов с горизонтальной поляризацией, для исключения возможности ошибочного подключения устройства к входам приемопередающей аппаратуры базовой станции.
Ближайший аналог позволяет уменьшить потери приема-передачи сигналов, повысить надежность, упростить конструкцию, уменьшить вес и габариты.
Однако ограничением этого устройства является недостаточная широкополосность, поскольку фазовращатель настраиваться на центральную частоту рабочего диапазона, а с изменением рабочей частоты трансформируется его фазовая характеристика и, следовательно, на входах X-поляризованной антенны изменяется разность фаз, определяющая тип излучаемой поляризации.
Решаемая полезной моделью задача - улучшение технико-эксплуатационной характеристики.
Технический результат, который может быть получен при выполнении устройства, - увеличение широкополосности.
Для решения поставленной задачи с достижением указанного технического результата по первому варианту выполнения полезной модели в известном устройстве для формирования поляризации радиосигналов, содержащем X-поляризованную антенну, выполненную из двух антенных элементов, гибридный мост, фазовращатель, базовую станцию, выполненную с первым входом/выходом приемопередающей аппаратуры и со вторым входом приемной аппаратуры, первое плечо гибридного моста подсоединено к первому входу/выходу приемопередающей аппаратуры базовой станции, а второе плечо гибридного моста подсоединено ко второму входу приемной аппаратуры базовой станции, третье плечо гибридного моста подсоединено к первому антенному элементу X-поляризованной антенны через фазовращатель, а четвертое плечо гибридного моста подсоединено ко второму антенному элементу X-поляризованной антенны, согласно заявленному техническому решению введен фильтр, и четвертое плечо гибридного моста подсоединено ко второму антенному элементу X-поляризованной антенны через этот фильтр, обеспечивающий компенсацию изменения разности фаз на первом и втором элементах X-поляризованной антенны с изменением частоты.
Для решения поставленной задачи с достижением указанного технического результата по второму варианту выполнения полезной модели в известном устройстве для формирования поляризации радиосигналов, содержащем X-поляризованную антенну, выполненную из двух антенных элементов, гибридный мост, фазовращатель, базовую станцию, выполненную с первым входом/выходом приемопередающей аппаратуры и со вторым входом приемной аппаратуры, первое плечо гибридного моста подсоединено к первому входу/выходу приемопередающей аппаратуры базовой станции, а второе плечо гибридного моста подсоединено ко второму входу приемной аппаратуры базовой станции, третье плечо гибридного моста подсоединено к первому антенному элементу X-поляризованной антенны, а четвертое плечо гибридного моста подсоединено ко второму антенному элементу X-поляризованной антенны через фазовращатель, согласно заявленному техническому решению введен фильтр, и третье плечо гибридного моста подсоединено к первому антенному элементу X-поляризованной антенны через этот фильтр, обеспечивающий компенсацию изменения разности фаз на первом и втором элементах X-поляризованной антенны с изменением частоты.
Для первого и второго вариантов выполнения полезной модели может быть целесообразно, чтобы:
- в качестве фильтра был использован полосно-заграждающий фильтр;
- в качестве фильтра был использован фильтр низких частот;
- в качестве фильтра был использован фильтр высоких частот.
Указанные преимущества, а так же особенности настоящей полезной поясняются вариантами ее выполнения со ссылками на прилагаемые фигуры.
Фиг.1 изображает функциональную схему заявленного устройства, по первому варианту выполнения устройства;
Фиг.2 - то же, что фиг.1, по второму варианту выполнения устройства;
Фиг.3 - графики изменения фазы сигнала на антенных элементах X-поляризованной антенны в диапазоне частот без введенного полосового фильтра для передатчика, подключенного к входу приемопередающей аппаратуры базовой станции;
Фиг.4 - то же, что фиг.3, с введенным полосовым фильтром.
Настоящая полезная модель поясняется конкретным примером выполнения, который, однако, не является единственно возможным, но наглядно демонстрирует возможность достижения данной совокупностью существенных признаков заданного технического результата. Настоящая полезная модель является дальнейшим усовершенствованием ближайшего аналога по патенту РФ №116699.
1
2
1
2
3
4
Устройство для формирования поляризации радиосигналов приемопередатчиков (фиг.1, 2) содержит X-поляризованную антенну 1, выполненную из двух антенных элементов 2 и 3. Антенные элементы 2 и 3 соответственно установлены наклонно под углом ±45° к вертикали. Два плеча (А), (А) первого гибридного моста 4 (ГМ) соответственно подсоединены к входу/выходу (П) приемо-передающей аппаратуры (ППА) базовой станции 5 и к входу (П) приемной аппаратуры (ПА) базовой станции 5. Два других плеча ГМ - третье или четвертое (А), (А) соответственно подсоединены к двум антенным элементам 2, 3 X-поляризованной антенны 1, при этом одно из плеч подсоединено к антенному элементу 2 или 3 через фазовращатель 6, а в другое плечо (свободное от фазовращателя 6) введен корректирующий полосовой фильтр 7 (Ф).
3
4
Для первого варианта выполнения полезной модели (фиг.1) третье плечо (А) ГМ 4 подсоединено к первому антенному элементу 2 X-поляризованной антенны 1 через фазовращатель 6, а четвертое плечо (А) ГМ 4 подсоединено ко второму антенному элементу 3 X-поляризованной антенны 1 через Ф 7.
3
4
Для второго варианта выполнения полезной модели (фиг.2) третье плечо (А) ГМ 4 подсоединено к первому антенному элементу 2 X-поляризованной антенны 1 через Ф 7, а четвертое плечо (А) ГМ 4 подсоединено ко второму антенному элементу 3 X-поляризованной антенны 1 через фазовращатель 6.
Ф 7 обеспечивает компенсацию изменения разности фаз на первом и втором элементах 2, 3 X-поляризованной антенны 1 с изменением частоты и, следовательно, способствует сохранению типа излучаемой поляризации в более широкой полосе частот.
Работает устройство для формирования поляризации радиосигналов приемопередатчиков (фиг.1, 2) следующим образом.
1
1
3
4
3
В режиме передачи сигналы с выхода П базовой станции 5 поступают на плечо А, делятся пополам на ГМ 4 и поступают через плечи А и А на антенные элементы 2 и 3 X-поляризованной антенны 1, причем сигнал с плеча А поступает через фазовращатель 6 (фиг.1). Выбор величины фазового сдвига Δφ определяет тип поляризации излучаемого сигнала. Для того чтобы излучить линейную вертикальную поляризацию необходимо, чтобы разность фаз на выходах антенных элементов 2 и 3 была равна 0°. При сдвиге фаз 180° будут излучаться сигналы с горизонтальной поляризацией. При сдвиге фаз плюс и минус 90° будут излучаться радиосигналы с круговой поляризацией левого и правого направления вращения.
3
4
1
2
1
2
В режиме приема сигналы с антенных элементов 2 и 3 поступают на гибридный мост 4. С антенного элемента 2 через фазовращатель 6 на плечо А, а с антенного элемента 3 на плечо А ГМ 4. После деления и векторного суммирования на ГМ 4 сигналы поступают через первое и второе плечи А и А на входы приемной аппаратуры П и П базовой станции.
Аналогично работает устройство по второму варианту выполнения полезной модели.
1
В соответствии с теоремой взаимности, если с выхода П[устройством был сформирован вертикально-поляризованный сигнал, то при приеме вертикально-поляризованного сигнала антенными элементами 2 и 3 сигнал поступит на вход П.
2
Аналогично, сигнал с горизонтальной поляризацией поступит на вход П базовой станции 5.
Таким образом, заявленное устройство осуществляет преобразование ортогонального поляризационного базиса ±45° X-поляризованной антенны 1 в ортогональный поляризационный базис 0°/90°, то есть вертикальную/горизонтальную поляризацию.
С точки зрения эффективности разнесенного приема такая замена правомерна, поскольку в ориентации абонентских аппаратов нет каких-либо приоритетных направлений, что могло бы дать преимущества одному либо другому поляризационному базису. Кроме того, прямые экспериментальные измерения не обнаружили статистически значимых отличий, показанных в работе Jukka J.A и др.
Однако, поскольку фазовращатель 6 (нерегулируемый) настраивается разработчиком на центральную частоту рабочего диапазона, то при отклонении рабочей частоты от центральной происходит изменение баланса фаз в антенных элементах 2 и 3. Поэтому устройство без использования Ф 7 является достаточно узкополосным. Полоса ближайшего аналога составляет 3% для разбаланса фаз 5°.
Для использования устройства одновременно несколькими стандартами сотовой связи, например, GSM 900 и LTE 800, отличающимися по центральной частоте почти на 20%, необходимо компенсировать разбаланс фаз в антенных элементах 2 и 3 X-поляризованной антенны 1, т.е. нужно компенсировать изменения фазочастотной характеристики фазовращателя 6.
Фазовращатель 6, формирующий разность фаз для антенных элементов 2 и 3, имеет конкретную фазочастотную характеристику, то есть с изменением рабочей частоты разность фаз в антенных элементах 2 и 3 будет отклоняться от заданной величины, что ограничивает широкополосность устройства. Для увеличения широкополосности введен фильтр 7, имеющий фазочастотную характеристику, компенсирующую изменение сдвига фазы фазовращателя 6 в заданном диапазоне частот.
Рассмотрим работу заявленного устройства на примере использования в качестве фильтра 7 полосно-заграждающего фильтра (ПЗФ), широко представленного в литературе, например, - X. Мейнке и Ф.В. Гунлах, «Радиотехнический справочник», том 2, Госэнергоиздат, Москва, 1960 г., стр.115. Однако могут быть использованы и другие конструкции фильтров, например, фильтр высокой частоты (ФВЧ), фильтр низкой частоты (ФНЧ), или подобные пассивные устройства, обеспечивающие компенсацию набега фаз на антенных элементах 2, 3.
В качестве фазовращателя 6 в данном примере выполнения полезной модели используется четвертьволновый отрезок коаксиального кабеля, создающего набег фазы 90° на центральной частоте, передающего диапазона 935-960 МГц в стандарте GSM-900.
Такой набег фазы обеспечивает синфазность сигнала на антенных элементах 2 и 3 после деления сигнала передатчика на 90-градусном гибридном мосте ГМ 4 и, следовательно, осуществляется излучение сигнала с вертикальной поляризацией на центральной частоте рабочего диапазона в стандарте GSM-900.
Аналогичная разность фаз на частотах 798,5-806 МГц в стандарте LTE-800 составит 14°, что не обеспечивает требования к вертикальности поляризации излучаемого сигнала.
На фиг.3 приведены графики изменения фазы сигнала передатчика, подключенного к входу приемопередающей аппаратуры П1 в широком диапазоне частот на антенных элементах 2 и 3. Маркерами A и B на фиг.3 обозначен диапазон частот передачи в стандарте LTE-800, маркерами C и D - в стандарте GSM-900, то есть диапазоны частот в которых требуется минимизация разности фаз.
Видно, что разность фаз сигналов на антенных элементах 2 и 3 с уменьшением частоты увеличивается, достигая неприемлемо больших величин для частот стандарта LTE800. (Значения фазы следует разделить на два, так как измерения фазы выполнялись по отраженному сигналу.)
На фиг.4 представлены те же графики после включения в плечо, свободное от фазовращателя 6, фильтра Ф 7, а именно, полосно-заграждающего фильтра (ПЗФ), настроенного таким образом, чтобы разность фаз в диапазоне частот передатчика в стандарте LTE-800 стала минимальной. Частота заграждения ПЗФ находится вне диапазонов стандартов GSM-900 и LTE-800. Линейный график соответствует плечу устройства без фильтра, характерная кривая с разрывом производной соответствует плечу устройства с полосно-заграждающим фильтром, приведенным на фиг.3 и 4.
Приведенная минимизация разности фаз может быть реализована как в устройстве, приведенном на фиг.1, так и на фиг.2.
Как показали испытания, полоса заявленного устройства после включения компенсирующего Ф 7 увеличена с 3 до 16%.
Наиболее успешно заявленное устройство для формирования поляризации радиосигналов промышленно применимо в оборудовании сотовой связи.