Многоканальный радиочастотный модуль с частотным разнесением приема и передачи
MULTICHANNEL RADIO FREQUENCY MODULE WITH FREQUENCY DIVERSITY OF RECEPTION AND TRANSMISSION

Область техники
Настоящее изобретение относится к области беспроводных систем связи, работающих в дуплексном режиме приема и передачи данных, и, в частности, к многоканальным радиочастотным модулям для устройств радиосвязи с высокой скоростью передачи данных и электронным сканированием луча. Одним из основных назначений радиочастотного модуля являются устройства систем радиорелейной связи с электронным сканированием луча миллиметрового диапазона длин волн.
Уровень техники
Рабочая частота современных систем беспроводной связи с их развитием постоянно сдвигается в область более коротких волн, что объясняется в первую очередь значительным прогрессом в области создания сверхвысокочастотных интегральных микросхем. В частности, в последнее время особое внимание уделяется разработке и созданию новых устройств и систем радиосвязи миллиметрового диапазона длин волн. Уже сейчас в диапазонах между 30 ГГц и 100 ГГц функционируют системы локальной беспроводной связи внутри помещений (системы Wi-Fi), автомобильные радары для предотвращения столкновений, системы радиовидения для обнаружения скрытых объектов, системы радиорелейной связи (РРС) типов «точка-точка» и «точка-многоточка», способных осуществить высокоскоростную передачу данных (более 1 Гб/с) на большие расстояния (до 3-5 км), и др.
Для большинства указанных приложений, и наиболее актуально для систем РРС, требуется применение антенн с высоким коэффициентом усиления. Это объясняется необходимостью компенсировать большое затухание плотности мощности в пространстве на больших расстояниях, поглощение миллиметрового излучения атмосферными газами, а также и дополнительное рассеяние излучения в пространстве при возникновении атмосферных осадков.
Типичные значения коэффициента усиления антенн РРС наиболее распространенных частотных диапазонов 57-64 ГГц и 71-76/81-86 ГГц составляют минимум 34 дБи и вплоть до 50 дБи и выше. Соответственно и ширина луча таких остронаправленных антенн составляет 1-3 градуса, а в некоторых случаях и менее 1-го градуса. В силу такого узкого луча возникают сложности при первоначальной юстировке антенн друг на друга и при наличии неидеально жестких несущих конструкций, которые могут испытывать угловые отклонения и скручивания, сравнимые по величине с шириной луча антенны, и возникающие в силу внешних воздействий, таких как ветер, сжатие/расширение материалов при циклах нагрева/охлаждения, всевозможных вибраций и т.п.
Указанные сложности делают крайне актуальной задачу разработки эффективных остронаправленных антенн с высоким коэффициентом усиления и с возможностью электронного управления положением луча в некотором угловом секторе. Такие антенны способны значительно облегчить юстировку с помощью автоматической подстройки луча, а также и компенсировать в реальном времени динамические качания и скручивания несущих конструкций фактически без потери данных. При этом понятно, что использование классических антенных решеток для решения такой задачи неэффективно, так как необходимо огромное количество элементарных излучателей (а, значит, и фазовращателей) для обеспечения требуемого коэффициента усиления, что дорого, технологически сложно и не практично с точки зрения необходимости калибровки всех элементов решетки.
Поэтому наиболее эффективными для применения в РРС являются антенны с большой апертурой, осуществляющие переключение направления луча между заранее заданными положениями. Такое переключение в классическом варианте исполнения осуществляется высокочастотной переключающей схемой, соединенной с решеткой первичных излучающих элементов некоторой апертурной антенны (например, зеркала или линзы). Система радиорелейной связи типа «точка-точка», содержащая такую антенну с электронным сканированием луча раскрыта, например, в патенте РФ №2585309 "Система и способ радиорелейной связи с электронной подстройкой луча". Раскрытая в данной заявке система состоит из двух приемопередающих станций, каждая из которых содержит антенну, обеспечивающую возможность электронного переключения положения луча. Использование такой сканирующей антенны в составе станции РРС предполагает наличие переключающей схемы, которая распределяет сигнал от единственного приемопередатчика на один из первичных излучающих элементов. Общая структура раскрытой станции РРС показана на фиг. 1.
Существенным недостатком в таких сканирующих системах является наличие дополнительных потерь в высокочастотной переключающей схеме распределения сигнала, которая состоит в общем случае из одного или более полупроводникового переключателя. В силу технологических особенностей потери в полупроводниковых переключателях возрастают с ростом рабочей частоты схемы, что может быть показано при проведении анализа доступных на рынке переключателей различных диапазонов частот. Существующие переключатели на N положений, работающие в диапазонах частот около или более 60 ГГц, вносят потери приблизительно в 0,7÷1,5*N дБ. Так, например, потери в переключателе на 4 положения TGS4306-FC компании Qorvo (ранее Triquint Semiconductors) составляют более 3 дБ (т.е. при переключении теряется как минимум половина мощности). Дополнительно нельзя не учесть и потери, вызванные установкой переключателя в схему переключения (например, на печатную плату), которые типично составляют около 1 дБ. Данные потери дублируются и на ответной стороне радиорелейной системы, что обуславливает значительное ослабление передаваемого сигнала и, как следствие, сокращение максимального расстояния, на которое может быть передан сигнал, более чем в 2 раза.
Для устранения потерь на переключение между положениями луча в патенте РФ №2530330 «Станция радиорелейной связи со сканирующей антенной» была предложена другая станция РРС (см. фиг. 2), содержащая сканирующую антенну по меньшей мере с двумя первичными излучающими элементами, по меньшей мере два радиочастотных блока, причем каждый радиочастотный блок соединен по меньшей мере с одним излучающим элементом, блок распределения принятого сигнала, соединенный с радиочастотными блоками, блок распределения передаваемого сигнала, соединенный с радиочастотными блоками, модем, содержащий приемную часть и передающую часть, и модуль управления положением луча, соединенный с приемной и передающей частями модема через контрольные каналы и соединенный с блоком распределения принятого сигнала и блоком распределения передаваемого сигнала через управляющие каналы с обеспечением возможности подачи на них управляющих сигналов. Блоки распределения принятого и передаваемого сигналов соединены соответственно с приемной и передающей частями модема и служат для подачи принятого и передаваемого сигналов от активного радиочастотного блока на модем и обратно.
Уменьшение уровня потерь на переключение луча обеспечено в данной станции РРС наличием по меньшей мере двух радиочастотных блоков. При этом блоки распределения принятого и передаваемого сигналов используются для выбора по меньшей мере одного радиочастотного блока для обработки принятого и формирования передаваемого сигналов в заданных направлениях. Структура такой станции РРС со сканирующей антенной предполагает, что распределение как принятого, так и передаваемого сигнала производится между радиочастотными блоками либо на видеочастоте (до формирования передаваемого сигнала на несущей частоте или после сброса сигнала с несущей частоты), либо в цифровой области. Это позволяет реализовать блоки распределения со значительно меньшим (вплоть до пренебрежимо малого) уровнем потерь по сравнению с переключающими схемами миллиметрового диапазона длин волн, рассмотренными ранее.
Раскрытая в патенте РФ №2530330 станция радиорелейной связи с малыми потерями в блоках распределения сигнала позволяет обеспечить электронное сканирование луча с коэффициентом усиления (КУ) каждого луча при сканировании, приблизительно равным КУ антенны РРС без сканирования, то есть обеспечить эффективное электронное сканирование луча без дополнительных потерь. Раскрытое в данном патенте устройство станции РРС взято за прототип настоящего изобретения.
В частных реализациях станции РРС по патенту РФ №2530330 приведены структуры радиочастотных блоков в зависимости от типа дуплексирования (разделения) приема и передачи сигнала. Наиболее перспективным является случай частотного дуплексирования, при котором прием и передача данных отдельной станцией РРС осуществляются в различных непересекающихся полосах частот, как это показано на фиг. 3. В этом случае скорости передачи данных от станции и к ней равны, а прием и передача осуществляются одновременно. Структура каждого радиочастотного блока с частотным разделением приема и передачи в соответствии с изобретением, взятым за прототип, показана на фиг. 4. Она содержит радиочастотные приемник и передатчик, фильтры принимаемого и передаваемого сигналов, соединенные с радиочастотными приемником и передатчиком, а также разветвитель сигнала от общего антенного элемента.
Основным недостатком такой структуры радиочастотного блока являются высокие требования к изоляции дуплексирующих фильтров. Эта изоляция необходима, чтобы подавить проникновение как основного сигнала передатчика, так и его внеполосных шумов в тракт приема так, чтобы не создать помеху слабому принимаемому сигналу. В системах РРС требуемые значения изоляции составляют типично от 50 до 100 дБ. Из-за столь высоких требований накладываются ограничения на выбор технологии для практической реализации фильтров. Фактически, единственно доступным способом реализации фильтров остается технология металлических прямоугольных волноводов со связанными резонаторами, реализуемыми с помощью неоднородностей в волноводном канале. Такие волноводные фильтры изготовляются на фрезерных станках ЧПУ с высокой точностью. Причем точность и получающиеся допуски на итоговые размеры резонаторов в волноводном канале становятся очень важными, так как при уходе размеров ухудшаются и электрические характеристики фильтров и, в частности, изоляция. Фильтры на металлических волноводах с воздушным заполнением обеспечивают минимальный уровень потерь прохождения при достижении требуемой изоляции.
Усугубляется проблема тем, что в рассмотренной структуре РРС по патенту РФ №2530330 используется несколько радиочастотных блоков, а значит и то же число пар фильтров принимаемого и передаваемого сигнала. По существу, встает задача практической реализации многоканального дуплексирующего устройства (диплексера, если речь идет именно о частотном дуплексировании) с некоторым множеством входов и выходов. И реализация в виде металлических волноводов малоэффективна в силу их больших размеров и веса, а также дороговизны изготовления и критичности к точности изготовления. Частный пример триплексера (один вход и три выхода, соответственно, всего три фильтра) рассмотрен в статье "Design of Triplexer Combiners for Base Stations of Mobile Communications" авторов G. Macchiarella и S. Tamiazzo, опубликованной в трудах конференции IMS 2010. Видна сложная многорезонаторная структура каждого фильтра, очевидна сложность его изготовления и большие габариты, несколько уменьшенные за счет зигзагообразного канала волновода. Понятно, что по указанным причинам дальнейшее наращивание каналов малоэффективно, но крайне необходимо для реализации станции РРС с электронным сканированием луча без потерь.
Дополнительно в данном разделе описания необходимо рассмотреть некоторые известные конфигурации сканирующих антенн, которые могут быть использованы в РРС. Так, в патенте США 7834803 раскрыта конструкция антенны Кассегрена с электронным сканированием луча. Предложенная конструкция содержит антенну Кассегрейна (или антенну любого другого типа с вынесенными облучателями) и решетку переключаемых рупорных антенн, выполняющих функцию первичных излучающих элементов. Указано, что антенна может работать в классическом варианте сканирующей антенны с высокочастотным переключателем между единственным радиочастотным блоком и излучателями.
В патенте РФ 2586503 раскрыт еще один вариант реализации сканирующей антенны. Указанная антенна является интегрированной линзовой антенной, в которой решетка первичных излучающих элементов устанавливается непосредственно на плоскую поверхность линзы, формирующей узкий луч при возбуждении каждого элемента. Расположение излучающих элементов на поверхности диэлектрической линзы отличает интегрированные линзовые антенны от линзовых антенн других типов, таких как рупорно-линзовые антенны, линзы Френеля, тонкие (по сравнению с фокусным расстоянием) линзы с вынесенными первичными излучателями.
Обе рассмотренные антенны могут быть использованы и в станции-прототипе по патенту РФ №2530330, использующей многоканальный радиочастотный модуль. Однако потребуется реализация многоканального диплексера с количеством фильтров, равным удвоенному количеству первичных излучающих элементов, и с соответствующими разветвителями. Как указывалось ранее, в этом случае требования к фильтрам часто настолько высоки, что их необходимо реализовывать по технологии металлических волноводов. А это в свою очередь приведет к большим габаритам станции РРС, к критичности к неточности изготовления (а значит, и к снижению выхода годных) и, как следствие, к увеличению ее себестоимости.
Следовательно, возникает задача разработки эффективного многоканального радиочастотного модуля с частотным разделением приема и передачи для применения в станциях РРС с электронным сканированием луча, позволяющим сделать станцию более компактной и легкой, а ее узлы более технологичными с точки зрения изготовления.
Сущность изобретения
Задачей настоящего изобретения является разработка эффективного многоканального радиочастотного модуля с частотным разделением приема и передачи для применения в станциях РРС с электронным сканированием луча.
Технический результат заявленного изобретения заключается в миниатюризации станции радиорелейной связи с одновременным обеспечением эффективного электронного сканирования луча при малых потерях сигнала на переключение луча и высокой изоляцией между приемниками и передатчиками.
Технический результат заявленного изобретения достигается за счет разработанного многоканального радиочастотного модуля с частотным разнесением приема и передачи, содержащего по меньшей мере два излучающих элемента; по меньшей мере два фильтра принимаемого сигнала, каждый из которых настроен на пропускание принимаемого сигнала в определенной полосе частот; по меньшей мере два фильтра передаваемого сигнала, каждый из которых настроен на пропускание передаваемого сигнала в определенной полосе частот; по меньшей мере два радиочастотных приемника, каждый из которых соединен с фильтром принимаемого сигнала, и меньшей мере два радиочастотных передатчика, каждый из которых соединен с фильтром передаваемого сигнала, причем каждый из излучающих элементов имеет два входных порта, один из которых соединен с фильтром принимаемого сигнала, а другой - с фильтром передаваемого сигнала, причем полосы пропускания этих фильтров не пересекаются.
Излучающий элемент с двумя портами предполагает планарную реализацию, что позволяет рассматривать и планарную реализацию фильтров. Такая реализация обеспечивает технический результат в виде уменьшения габаритов и массы, а также и упрощения практической реализации станции РРС.
В конкретной реализации, все фильтры принимаемого сигнала и передаваемого сигнала выполнены по технологии планарных волноводов. Такая технология позволяет реализовать структуры высокодобротных связанных резонаторов в диэлектрической плате.
В другой конкретной реализации, все фильтры и все излучающие элементы выполнены на одной высокочастотной диэлектрической плате. Это обеспечивает простоту изготовления и исключает необходимость высокочастотных соединений между элементами модуля. Такие соединения плохи тем, что обычно вносят существенные потери. В частности, при использовании классических металлических фильтров часто требуется переход с волновода на некоторую планарную линию на плате, на которой установлены полупроводниковые компоненты. В настоящем изобретении такие переходы не требуются.
В одной из более конкретных реализаций, высокочастотная диэлектрическая плата содержит по меньшей мере два уровня металлизации. В другой реализации, она содержит по меньшей мере три уровня металлизации. Применение многослойных плат часто является обязательным в современных электронных устройствах, так как позволяет уменьшить размеры и вес, а также и эффективнее реализовать некоторые пассивные блоки.
В различных конкретных реализациях в качестве высокочастотной диэлектрической платы используется плата из низкотемпературной или высокотемпературной керамики или стандартная печатная плата. Соответственно и изготовление плат в этих случаях подразумевает использование стандартных технологий производства керамических плат либо печатных плат, материалы которых являются композитными или даже просто термопластиками с клейкой основой.
В одной из реализаций радиочастотные приемники и передатчики выполнены по меньшей мере в виде одной полупроводниковой микросхемы, установленной на диэлектрической плате. Такие микросхемы выполняют различные частные функции радиочастотных преобразований сигнала - усиление, ослабление, изменение центральной частоты и т.п.
В другой реализации каждый радиочастотный приемник выполнен на одной полупроводниковой микросхеме, а также и каждый радиочастотный передатчик выполнен на одной полупроводниковой микросхеме. В этом случае используются микросхемы с более высокой степенью интеграции так, что все необходимые функции приемника или передатчика выполняются только одной микросхемой (за исключением простых необходимых внешних элементов и генератора опорного сигнала). Преимуществом подхода является простота и компактность радиочастотного модуля.
В еще одной реализации пара из радиочастотных приемника и передатчика выполнена на одной полупроводниковой микросхеме приемопередатчика. Такие микросхемы в миллиметровом диапазоне длин волн являются самыми современными. В дополнение к ним необходим обычно лишь кварцевый генератор опорного сигнала и схема фазовой автоподстройки частоты, а также, в некоторых случаях, аналоговые усилители нулевой частоты для обеспечения широкого динамического диапазона в приемнике.
В одной из реализаций многоканального модуля излучающие элементы являются элементами с двойной поляризацией, а каждый из двух портов каждого элемента служит для передачи или приема сигналов на по существу ортогональных поляризациях. В этом случае обеспечивается дополнительный технический результат в виде ослабления требований к изоляции дуплексирующих фильтров. Это достигается за счет имеющейся развязки между двумя ортогональными поляризациями, которая вычитается из требований к фильтрам. В таком случае, планарная реализация фильтров становится более практичной, так как даже на стандартных высокочастотных подложках возможно обеспечение небольших потерь прохождения.
В различных конкретных реализациях модуль дополнительно содержит либо параболическое зеркало, причем излучающие элементы расположены по существу в фокальной плоскости зеркала; либо тонкую диэлектрическую линзу, причем излучающие элементы расположены по существу в фокальной плоскости линзы; либо линзу с цилиндрическим продолжением, причем излучающие элементы расположены по существу в фокальной плоскости линзы, а диэлектрическая плата установлена на плоскую поверхность цилиндрического продолжения линзы. Любой из перечисленных или другой аналогичный фокусирующий элемент обеспечивает заранее определенное направление луча, выбираемое станцией РРС в зависимости от того, какой из излучателей активен в каждый конкретный момент.
В более конкретных реализациях коллимирующая форма линзы с цилиндрическим продолжением является полуэллипсоидом или полусферой.
В одной из реализаций полосы пропускания всех фильтров принимаемого сигнала по существу одинаковы между собой, а также и полосы пропускания всех фильтров передаваемого сигнала по существу одинаковы между собой. В этом случае обеспечивается классическая дуплексная связь с частотным разделением приема и передачи так, что частоты приема и передачи остаются неизменными при смене направления луча. Если же полосы фильтров на прием или передачу не равны, то тогда обеспечивается частотно-угловое сканирование луча, в котором каждому формируемому лучу соответствуют свои уникальные частотные каналы для приема и передачи данных. Последнее эффективно, например, для связи с несколькими объектами, либо для облегчения настройки луча в требуемом направлении на ответную станцию.
В одной реализации соединение излучающих элементов и фильтров осуществлено с помощью микрополосковых линий передачи посредством соответствующих переходов между такой линией и поверхностным волноводом. Такие переходы обычно очень просты в силу схожести структур основных мод распространяющегося электромагнитного сигнала по этим двум типам линий передачи.
В более конкретных реализациях излучающие элементы расположены в вершинах треугольника или в углах прямоугольника. В этих случаях используются, соответственно, три или четыре излучающих элемента, а сканирование возможно в двух угловых координатах: и по азимуту, и по углу места. Очевидно, что и любое другое двумерное распределение излучающих элементов также возможно.
В других более конкретных реализациях излучающие элементы представляют собой микрополосковые антенны с прямым подведением сигнала микрополосковой линией; либо микрополосковые антенны с подведением сигнала микрополосковой линией через щелевую апертуру в земляном экране, расположенном между излучающим элементом и подводящими линиями; либо микрополосковые антенны с подведением сигнала микрополосковой линией с помощью переходных отверстий сквозь земляной экран, расположенный между излучающим элементом и подводящими линиями. Кроме микрополосковых антенн могут использоваться и любые другие планарные излучатели, которые могут быть реализованы в конфигурации с двумя портами (например, диполи, щелевые диполи, щелевые антенны и т.д.), в частности и излучатели с двумя поляризациями. Однако именно микрополосковые излучатели наиболее практичны для рассматриваемого изобретения в силу компактности и в силу подведения сигнала к ним наиболее распространенной в современной сверхвысокочастотной электронике микрополосковой линией.
В другой реализации многоканальный модуль дополнительно содержит блок распределения принятого сигнала, соединенный с радиочастотными блоками, и блок распределения передаваемого сигнала, соединенный с радиочастотными блоками, причем модуль управления положением луча соединен с цифровым модемом и с блоком распределения принятого сигнала и блоком распределения передаваемого сигнала через управляющие каналы с обеспечением возможности подачи на них управляющих сигналов. Указанные блоки распределения позволяют распределить нужным образом мощность сигналов для активации одного или более каналов радиочастотного модуля. Понятно, что для подачи команд на блоки распределения и выбора активного канала цифровой модем станции РРС генерирует управляющие сигналы, посылаемые через управляющие каналы.
В более конкретной реализации блок распределения принятого сигнала является делителем мощности на N выходов, а блок распределения передаваемого сигнала является сумматором с N входов. В этом случае активация каналов может происходить и с помощью подачи управляющих сигналов на радиочастотные приемники и передатчики. Эти сигналы могут управлять, например, коэффициентами усиления приемников и передатчиков для подавления ненужных в данный момент каналов.
В другой конкретной реализации блок распределения принятого сигнала и блок распределения передаваемого сигнала являются многоканальными переключателями. В этом случае выбор активного канала осуществляется простым электрическим отключением всех остальных.
Краткое описание чертежей
Детали, признаки, а также преимущества настоящего изобретения следуют из нижеследующего описания некоторых реализаций заявленного технического решения и чертежей, на которых показано:
Фиг. 1 - функциональная схема известной станции радиорелейной связи типа «точка-многоточка» (уровень техники);
Фиг. 2 - функциональная схема станции радиорелейной связи с блоком распределения принятого сигнала и блоком распределения передаваемого сигнала, реализованными на видеочастоте (уровень техники);
Фиг. 3 - непересекающиеся полосы частот передаваемого и принимаемого сигналов в системе радиосвязи с частотным дуплексированием;
Фиг. 4 - функциональная схема радиочастотного блока для РРС с частотным дуплексированием приема и передачи (уровень техники);
Фиг. 5 - функциональная схема станции радиорелейной связи с многоканальным радиочастотным модулем с частотным дуплексированием приема и передачи в соответствии с одной из реализаций настоящего изобретения;
Фиг. 6 - структура планарного волновода, реализованного на диэлектрической плате (уровень техники);
Фиг. 7а - структура фильтра на планарном волноводе, реализованная на диэлектрической плате (уровень техники);
Фиг. 7б - структура фильтра на планарном волноводе, реализованная на диэлектрической плате, с дополнительными переходами на микрополосковые линии передачи (уровень техники);
Фиг. 8 - многоканальный РЧ модуль, реализованный на общей однослойной диэлектрической плате и основанный на микрополосковых излучающих элементах с прямым подведением сигнала;
Фиг. 9 - многоканальный РЧ модуль, реализованный на общей многослойной диэлектрической плате и основанный на микрополосковых излучающих элементах с подведением сигнала методом щелевых апертур;
Фиг. 10 - многоканальный РЧ модуль, реализованный на общей многослойной диэлектрической плате и основанный на микрополосковых излучающих элементах с подведением сигнала методом щелевых апертур и с двойной поляризацией;
Фиг. 11 - многоканальный РЧ модуль, реализованный на общей многослойной диэлектрической плате и основанный на микрополосковых излучающих элементах с подведением сигнала методом переходных отверстий и с двойной поляризацией;
Фиг. 12 - многоканальный РЧ модуль, реализованный на общей многослойной диэлектрической плате и основанный на микрополосковых излучающих элементах с подведением сигнала методом щелевых апертур, расположенных в вершинах треугольника;
Фиг. 13 - многоканальный РЧ модуль, реализованный на общей многослойной диэлектрической плате и основанный на микрополосковых излучающих элементах с подведением сигнала методом щелевых апертур, расположенных в углах прямоугольника.
На фигурах цифрами обозначены следующие позиции:
1000 - радиорелейная станция; 100 - многоканальный РЧ модуль; 110 - РЧ блок; 120 - линза; 130 - блок разделения принимаемого сигнала; 140 - блок разделения передаваемого сигнала; 150 - излучающий элемент с двумя портами; 160 - излучающий элемент с единственным портом; 111 - РЧ приемник; 112 - РЧ передатчик; 113 - фильтр принятого сигнала; 114 - фильтр передаваемого сигнала; 115 - РЧ приемопередатчик; 170 - диплексер; 171- разветвитель; 180 - СВЧ переключающая схема; 200 - цифровой модем; 210 - демодулятор; 220 -модулятор; 230 - модуль управления положением луча; 310 - аналогово-цифровой преобразователь (АЦП); 320 - цифро-аналоговый преобразователь (ЦАП); 330 - управляющие каналы; 240 - контрольный канал; 151 - микрополосковая линия; 152 - земляной проводящий экран; 153 - щели в земляном экране; 154 - переходные отверстия в структуре излучающего элемента; 155 - верхний уровень металлизации; 156 - нижний уровень металлизации; 157 - переходные отверстия, образующие поверхностный волновод; 158 - резонаторы в структуре поверхностного волновода; 159 - переход с микрополосковой линии на поверхностный волновод.
Раскрытие изобретения
Настоящее изобретение может быть более детально понято из последующего описания некоторых реализаций многоканального радиочастотного модуля с частотным разделением приема и передачи на примерах адаптации для использования в высокоскоростных системах радиосвязи типа «точка-точка» миллиметрового диапазона длин волн.
Разработанный радиочастотный модуль обеспечивает более компактную реализацию РРС с электронным сканированием луча и, в частных случаях, позволяет облегчить требования к дуплексирующим фильтрам. В том числе и за счет этого фильтры можно реализовать не только по классической технологии металлических волноводов, но и по технологии пленарных волноводов, что позволяет исключить из состава РРС все металлические элементы, требующие дорогой прецизионной обработки на фрезерном оборудовании, а также и имеющие большой размер и вес. Все это приводит к миниатюризации РРС и уменьшению ее себестоимости. За счет снижения требований к фильтрам не происходит и ухудшения электрических характеристик РРС. Более того, с развитием технологий производства и материалов печатных и керамических плат для современной электроники может произойти даже и улучшение некоторых характеристик за счет уменьшения потерь в СВЧ и антенно-фидерном тракте.
На фиг. 5 проиллюстрирована функциональная схема станции радиорелейной связи (1000) с электронным сканированием луча, содержащей многоканальный радиочастотный модуль с частотным дуплексированием приема и передачи (100), выполненный в соответствии с одной из реализаций настоящего изобретения. Модуль (100) содержит множество радиочастотных приемников (111-1…111-N) и множество радиочастотных передатчиков (112-1…112-N). Приемники (111) соединены с фильтрами принимаемого сигнала (113-1…113-N), настроенными на пропускание сигналов только в полосе приема. Передатчики (112) соединены с фильтрами передаваемого сигнала (114-1…114-N), настроенными на пропускание сигналов только в полосе передачи. Приемники (111), передатчики (112), а также фильтры (113) и (114) функционально объединены в радиочастотные блоки (110). Также модуль (100) содержит излучающие элементы (150-1…150-N). У каждого из элементов (150) имеется два входных порта, один из которых соединен с фильтром (113), а другой - с фильтром (114). В каждый момент времени активен только один из излучающих элементов (150), и при этом все они расположены по существу в фокальной плоскости линзы (120), что обеспечивает заранее заданное смещение основного луча диаграммы направленности линзы в зависимости от смещения конкретного излучающего элемента от оси линзы. Этот свойство линзы также проиллюстрировано схематически на фиг. 5 стрелками, показывающими направление излучения из линзы (120). Для выбора активного излучающего элемента (150) в данной реализации радиочастотный модуль содержит также блоки распределения принимаемого (130) и передаваемого (140) сигналов. Эти блоки соединены соответственно с РЧ приемниками (111-1…111-N) и РЧ передатчиками (112-1…112-N).
Также на фиг. 5 показаны некоторые другие блоки РРС (1000), необходимые для понимания ее работы и работы входящего в ее состав радиочастотного модуля (100). Эти блоки включают цифровой модем (200), который содержит демодулятор цифрового сигнала (210), модулятор цифрового сигнала (220), а также и контрольный модуль (230), который служит для генерации и подачи управляющих сигналов на блоки распределения (130) и (140). Управляющие сигналы передаются от контрольного модуля (230) к блокам распределения (130) и (140) посредством управляющих каналов (330) и служат для сообщения блокам (130) и (140) информации о том, какой из радиочастотных блоков (110) должен быть выбран для обработки принимаемых и передаваемых сигналов. Контрольный модуль (230) также соединен внутри модема (200) с блоками (210) и (220), откуда получает информацию о качестве осуществления связи. Соответственно с этой информацией модуль (230) и принимает решение о необходимости переключения луча.
Между РЧ модулем (100) и цифровым модемом (200) включены блоки аналого-цифрового преобразователя (310) и цифро-аналогового преобразователя (320). Они служат для преобразования сигналов из аналогового вида к цифровому и обратно.
Основной технический результат разработанного модуля достигается при использовании только пленарных технологий для его реализации. Наиболее эффективной для этого является технология поверхностных волноводов. Структура поверхностного волновода, реализованного на диэлектрической плате, показана на фиг. 6. Поверхностный волновод - это волновод прямоугольного сечения, сформированный в структуре платы с помощью двух уровней металлизации (сверху и снизу) и двух параллельных рядов переходных отверстий с малым расстоянием между друг другом во избежание утечки распространяющейся по волноводу волны.
wg
wg
Таким образом, поверхностный волновод является волноводом с диэлектрическим заполнением, а важнейшее его конкурентное преимущество - в реализации с помощью стандартных дешевых и массовых технологий диэлектрических плат. Структура такого волновода может быть изготовлена, например, на любой печатной плате (включая многослойные) между любыми двумя уровнями металлизации. Длина L и ширина Т (равная толщине платы между двумя уровнями металлизации) 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 7 лежит обычно в диапазоне значений 0.1-0.5 мм, а длина L составляет всего порядка нескольких миллиметров (конкретные значения зависят от диэлектрических свойств платы, в частности от диэлектрической проницаемости). Размер поверхностного волновода, таким образом, меньше в сравнении с традиционными металлическими прямоугольными волноводами, которые заполнены воздухом.
В соответствии с одной реализацией настоящего изобретения, фильтры принимаемого и передаваемого сигналов (113) и (114) являются фильтрами на поверхностных волноводах, представляющими собой группу связанных резонаторов. Такие резонаторы формируются набором переходных отверстий в теле поверхностного волновода.
Пример фильтра в соответствии с данной реализацией показан на фиг. 7(a). Показаны переходные отверстия, формирующие связанные резонаторы, 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 такими окнами, и размером каждого окна. 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 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 фильтры на поверхностных волноводах, обеспечивающие требуемый уровень изоляции для системы связи с чисто частотным дуплексированием, также имеют и 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. Уменьшение требуемой изоляции фильтров является актуальной задачей.
На фиг. 7(б) показана структура фильтра на поверхностном волноводе, в которой вход и выход фильтра соединены с переходами на микрополосковую линию. Такие переходы на микрополосковую линию (или, в альтернативных реализациях, на другие типы пленарных линий) необходимы для подведения сигнала к различным планарным излучающим элементам и к различным СВЧ микросхемам, формирующим радиочастотные блоки. Например, микрополосковая линия служит для возбуждения микрополосковых излучающих элементов, которые могут быть реализованы в виде элементов с двумя независимыми портами.
Один из примеров планарной реализации многоканального радиочастотного модуля для сканирующей РРС миллиметрового диапазона длин волн показан на Фиг. 8. В этой реализации используются микрополосковые излучающие элементы (150-1, 150-2, … 150-N) с прямым подведением сигнала микрополосковыми линиями (151). Микрополосковые излучающие элементы просты в изготовлении на печатной плате и имеют хорошие и устойчивые к неточностям при изготовлении характеристики. Кроме того, микрополосковые излучающие элементы достаточно просто могут быть выполнены в виде элементов с двумя портами, как это показано на фиг. 8. Импедансное согласование обеспечивается в данном случае планарными фильтрами с непересекающимися полосами. Таким образом получается, что один из портов антенны согласован для работы в одной полосе частот, соответствующей полосе подключенного фильтра, а второй порт - для работы в другой полосе.
В рассматриваемой реализации радиочастотного модуля все микрополосковые излучающие элементы выполнены на одной диэлектрической плате вместе с фильтрами принимаемого сигнала (113-1, 113-2, … 113-N) и фильтрами передаваемого сигнала (114-1, 114-2, … 114-N), которые реализованы как фильтры на поверхностном волноводе. Все фильтры принимаемого сигнала (113) расположены с одной стороны от излучающих элементов, а все фильтры передаваемого сигнала (114) - с другой. Так обеспечивается наилучшая электромагнитная развязка между принимаемыми и передаваемыми сигналами, распространяющимися каждый по своим фильтрам.
Реализация, показанная на фиг. 8 наиболее эффективна при использовании микросхем интегрированных полупроводниковых приемников (111-1, 111-2, … 111-N) и передатчиков (112-1, 112-2, … 112-N). В этом случае активные тракты радиочастотной обработки сигналов расположены на разных микросхемах, разнесенных друг от друга. При этом степень интеграции функциональных блоков в микросхемы приемников (111) и передатчиков (112) может быть разной. Например, одни из широко известных микросхем компании Analog Devices НМС6001 (приемник) и НМС6000 (передатчик) обладают наибольшей степенью интеграции. Микросхема приемника НМС6001 включает малошумящий усилитель, смеситель промежуточной частоты, стадии контролируемых усилителей и аттенюаторов промежуточной частоты для подстройки мощности сигнала, квадратурный смеситель базовой частоты, усилители базовой частоты, а также и генератор сигнала гетеродина совместно с интегрированной схемой автоподстройки частоты. Микросхема передатчика НМС6000 также включает усилители, смесители, аттенюаторы и генератор опорного сигнала вместе с системой фазовой автоподстройки частоты. В силу этого при построении радиочастотных блоков других микросхем фактически не требуется, требуется только несколько компонент обвязки - резисторов, конденсаторов и т.п., а также и кварцевый генератор опорной частоты. При использовании этих или подобных радиочастотных микросхем реализация многоканального радиочастотного модуля, показанная на фиг. 8, является наиболее эффективной. При этом микросхемы могут устанавливаться на плату либо с помощью проволочных соединений (технология микросварки), либо с помощью технологии перевернутых кристаллов. Последняя в недавнее время начала применяться и в миллиметровом диапазоне длин волн - вплоть до 90 ГГц - и именно такой способ установки и показан на фиг. 8. Известно, что Analog Devices в очень скором времени выпустит более современные версии микросхем полностью интегрированных приемников и передатчиков - НМС6301 и НМС6300, соответственно, - которые будут устанавливаться на плату именно методом перевернутых кристаллов.
В реализации по фиг. 8 диэлектрическая плата является однослойной с двусторонней металлизацией. Понятно, что для функционирования как микрополосковых линий, так и поверхностных волноводов, на нижнем уровне металлизации необходим земляной проводящий экран (152). Он может занимать не всю нижнюю поверхность платы для облегчения разводки управляющих линий в свободных зонах. В общем случае плата может быть и многослойной, что позволяет дополнительно уменьшить размеры РРС.
На фиг. 9 показана другая реализация разработанного многоканального радиочастотного модуля. Отличие от предыдущей реализации состоит в том, что в данном случае используются микрополосковые излучающие элементы 150 с подведением сигнала методом щелевой апертуры. В таком элементе подводящие микрополосковые линии (151) расположены на нижнем уровне металлизации многослойной платы, узкие щелевые апертуры (153) (имеющие в данном случае форму буквы Н), прорезанные в земляном экране (152) - на среднем уровне металлизации, а сами излучающие элементы (150) - на верхнем. Основное преимущество - в разделении тракта подведения сигнала и излучателей, что позволяет оптимизировать их независимо друг от друга. При использовании указанных излучающих элементов диэлектрическая плата должна уже быть принципиально многослойной (как минимум с двумя слоями диэлектрика). Фильтры на поверхностных волноводах (113) и (114) при этом реализованы между двумя верхними уровнями металлизации платы.
В двух рассмотренных выше примерах реализации (по фиг. 8 и фиг. 9) два порта каждого излучающего элемента используются для возбуждения или приема волн одной поляризации. И, хотя можно сделать эти порты частотно-селективными, тем не менее требования к фильтрам ослабить существенно нельзя. В силу этого при планарной реализации фильтров могут возникнуть существенные дополнительные потери прохождения сигнала в многорезонансной и высокодобротной структуре каждого фильтра. Эти потери почти полностью зависят от тангенса угла диэлектрических потерь используемой подложки платы.
Для существенного облегчения требований к фильтрам предложено использовать излучающие элементы с двумя портами, которые предназначены для работы с сигналами разных поляризаций. Пример реализации многоканального планарного радиочастотного модуля с такими излучающими элементами показан на фиг. 10. Здесь также использованы микрополосковые излучающие элементы (150-1, 150-2, … 150-N) с подведением сигнала методом щелевой апертуры, однако две подводящие линии (151) расположены под прямым углом друг к другу. Соответственно и две щелевых апертуры также расположены под прямым углом. Таким образом, при возбуждении этих двух портов излучающий элемент испустит две волны с двумя линейными поляризациями, ортогональными друг другу. Далее обе микрополосковые подводящие линии имеют поворот на 45 градусов для удобства разводки платы и параллельной ориентации фильтров.
Излучающие элементы с двойной поляризацией обычно обеспечивают существенный уровень кросс-поляризационной развязки. Он может достигать на практике 20-40 дБ, а в некоторых случаях и больше. Таким образом фильтры для частотного дуплексирования должны обеспечивать намного меньшую изоляцию, что приводит к уменьшению количества связанных резонаторов, потерь, а также и дополнительному уменьшению размеров. Планарная реализация в этом случае наиболее эффективна.
Чтобы избежать указанных выше поворотов подводящих линий возможно использовать микрополосковые излучающие элементы с подведением сигнала методом переходных отверстий (154). Многоканальный радиочастотный модуль в такой реализации показан на фиг. 11. Преимущество таких излучателей в том, что поляризацию испускаемой или принимаемой волны определяет не ориентация щели, как выше, а местоположение переходного отверстия между линией и элементом. Так, если отверстие смещено относительно центра излучающего элемента в вертикальной плоскости, то соответствующая поляризация будет также вертикальной. Если же смещение выполнено в горизонтальной плоскости, то и поляризация будет горизонтальной.
Во всех реализациях, показанных на фиг. 8-11 форма излучающего элемента прямоугольная. Однако в других реализациях элементы могут иметь и другую форму, например, круглую, прямоугольную, ромбовидную и т.п. Более того они могут дополнительно содержать вырезы различной формы, а рядом с ними могут быть выполнены дополнительные элементы топологии, что делается для расширения полосы частот антенны. Кроме того, между излучающими элементами, а также и вокруг них, могут быть выполнены и ряды разделительных переходных отверстий, чтобы увеличить взаимную изоляцию и исключить наводки.
На фиг. 12 показана еще одна реализация разработанного многоканального радиочастотного модуля для РРС с электронным сканированием луча. В этой реализации модуль содержит три излучающих элемента (150-1, 150-2 и 150-3), расположенные в вершинах треугольника. Все элементы двух поляризационные. Основное отличие от предыдущих примеров реализаций состоит в том, что для формирования одного радиочастотного блока используются не отдельные микросхемы интегрированных приемника и передатчика, а одна микросхема приемопередатчика (115-1, 115-2 и 115-3). Опять же могут использоваться и дополнительные микросхемы, и дискретные компоненты низкочастотного тракта сигнала, но вся СВЧ обработка выполняется именно данными микросхемами 115. Примером таких микросхем являются приемопередатчики диапазонов 57-64 ГГц, 71-76 ГГц и 81-86 ГГц компании Infineon Technologies, имеющие наименование, соответственно, BGT60, BGT70 и BGT80. В каждой из этих микросхем интегрированы оба тракта приема и передачи с прямым преобразованием сигнала на несущую частоту. Единственными компонентами, требуемыми дополнительно, являются схемы синтеза опорного сигнала и схемы фазовой автоподстройки частоты для встроенного в микросхемы BGT генератора, управляемого напряжением. Также при необходимости могут быть добавлены и отдельные усилители мощности и малошумящие усилители между фильтрами (113) и (114) и приемопередатчиками (115), если требуется исключительная функциональность. Естественно, что для обеспечения дуплексного режима с частотным разделением приема и передачи интегрированная микросхема должна быть выполнена с возможностью генерации сигнала на одной частоте, а приема - на другой.
На фиг. 13 показан схожий пример многоканального радиочастотного модуля, только с четырьмя двухполяризационными микрополосковыми излучающими элементами. В данном случае элементы расположены в углах квадрата. Количество элементов и их расположение определяет и количество положений формируемого луча в пространстве за счет фокусирующего элемента (линзы, зеркала и т.п.). Так, при двумерном расположении излучающих элементов и сканирование луча будет осуществляться в двумерном угловом пространстве, а при расположении в линейку - только в одномерном.
Материалами диэлектрических плат во всех рассмотренных реализациях могут выступать как различные материалы печатных, так и керамических плат.
В качестве фокусирующего устройства наиболее эффективно применять полуэллиптическую линзу с цилиндрическим продолжением, так как именно на его плоском основании и находится фокальная плоскость линзы. Понятно, что плоская поверхность линзы хорошо подходит для установки на нее плоской платы с излучающими элементами, ориентированными в тело линзы. При этом получается, что микросхемы приемника и передатчика расположены на противоположной от линзы стороне платы, что очень удобно.
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 многоканальном радиочастотном модуле.
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.