Способ формирования диаграммы направленности и антенная решетка для его осуществления
METHOD FOR GENERATING A RADIATION PATTERN AND AN ANTENNA ARRAY FOR ITS IMPLEMENTATION

Изобретение относится к антенной технике, в частности к антенным решеткам, предназначенным для пространственного разделения каналов в сети беспроводной связи и способу формирования диаграммы направленности.
Известно устройство формирования и обработки радиосигналов для радиолокационных станций с частотно-сканирующей антенной решеткой (патент RU 2365935, МПК G01S 7/292, 2008), которое содержит усилитель мощности сверхвысокой частоты (СВЧ), антенный переключатель, синхронизатор, блок генератора частот, состоящий из генератора сетки частот, мультиплексора, балансного модулятора, СВЧ-гетеродина, блок широкополосного приемника, содержащий малошумящий усилитель СВЧ, балансный смеситель и широкополосный усилитель промежуточной частоты. Устройство также имеет блок квадратурных детекторов, содержащий квадратурные детекторы для каждого частотного канала сетки частот, блок видеоусилителей, содержащий фильтры нижних частот и видеоусилители, а каждый выход частотных каналов генератора сетки частот дополнительно соединен с вторым входом каждого квадратурного детектора, выход каждого квадратурного детектора соединен с входом соответствующего фильтра нижних частот, а выход каждого фильтра нижних частот соединен с соответствующим входом каждого видеоусилителя.
Недостатком известного устройства являются большие потери мощности и наличие ограничений по уровню пропускаемой мощности, так как вся она проходит по одному фидерному тракту ко всем излучателям, высокие требования к точности изготовления элементов, так как происходит накопление ошибок, влекущих изменение формы диаграммы направленности.
Известна фазированная антенная решетка с управляемой шириной диаграммы направленности (патент RU 2507647, МПК H01Q 21/00, 2012), которая содержит приемные каналы, выходные сигналы которых оцифровываются с помощью аналогово-цифровых преобразователей и обрабатываются в процессорах бортовых цифровых вычислительных машин радиолокационных станций, головок самонаведения или систем радиопротиводействия.
Недостатком известного устройства является то, что в нем формирование диаграммы направленности и изменение ее формы в пространстве осуществляется за счет фазового сдвига сигнала на каждом антенном элементе посредством индивидуальных фазовращателей, а затем и групповых. При этом информация о принимаемом сигнале получается за счет многократного пространственного изменения луча диаграммы направленности антенной решетки, что приводит к значительным временным затратам при обеспечении обработки радиосигналов.
Известен способ формирования диаграммы направленности и сканирующая антенная решетка, реализующая этот способ, принятые за прототип (RU 2562756, МПК H01Q 21/00, 2012). Сканирующая антенная решетка изготовлена на печатной плате и содержит две подрешетки, сформированные из восьми и девяти излучающих элементов соответственно, с линейной конфигурацией расположения антенных элементов. Кроме того, антенная решетка содержит два делителя мощности, в которых реализовано требуемое амплитудно-фазовое распределение весовых коэффициентов. Фазовое распределение реализуется разной длиной питающих полосковых линий, а амплитудное - неравномерными полосковыми делителями. На вход каждого из делителей мощности поступает сигнал с соответствующего радиопередающего тракта базовой станции. При прохождении через делители мощности радиосигнал распределяется и поступает на соответствующие излучающие элементы с амплитудами и фазами, реализующими распределение поля электромагнитной волны, которое обеспечивает требуемое (заданное) значение коэффициента усиления антенной системы. При этом антенная решетка формирует «косекансную» или близкую к «косекансной» диаграмму направленности, предназначенную для реализации режима сканирования пространства в вертикальной плоскости.
Недостатком известных способа и устройства является сложность конструкции антенной решетки, ухудшение энергетического отношения сигнала к шуму при ее использовании.
Технической задачей предлагаемого изобретения является повышение эффективности формирования многолучевой диаграммы направленности в антенной решетке, возбуждаемой энергией радиосигнала с выхода единого радиопередающего тракта.
Технический результат достигается тем, что в способе формирования диаграммы направленности антенной решетки заключающимся в том, что для определения общего числа излучающих антенных элементов проводят предварительное моделирование по которому определяют требуемое общее число излучателей, формируют антенные подрешетки, выбирают тип излучающих элементов для каждой из антенных подрешеток в зависимости от требований к материалу и размерам антенной решетки, к рабочей полосе частот, согласованию с питающей линией, к направленности, поляризации, углу и плоскости сканирования, оптимизируют размер излучателя, расположение выбранных излучающих элементов антенной решетки как единой антенной решетки в зависимости от требуемой направленности, усиления, уровня боковых лепестков, поляризации, угла и плоскости сканирования, исходя из требований к зоне покрытия и характеристик излучения и угла сканирования, определяют и оптимизируют весовые коэффициенты распределения фазы и амплитуды каждого излучающего элемента каждой антенной подрешетки в зависимости от выбранного типа излучателя и его места в антенной решетке, динамическое сканирование в антенной решетке, полученной с применением данного моделирования, осуществляют путем изменения амплитуды и фазы по меньшей мере в одном приемопередающем тракте на величину, которая либо определяется на этапе определения весовых коэффициентов, либо обусловлена возможностями имеющегося оборудования, согласно изобретению, амплитудно-фазовое распределение формируют, используя диаграмообразующую схему на основе линзы Ротмана, а антенная решетка формирует узконаправленную диаграмму направленности.
Технический результат достигается тем, что антенная решетка для формирования диаграммы направленности, содержащая дипольные излучающие элементы, расположенными линейно, подрешетки с входами, сформированные последовательно из излучающих антенных элементов соответственно, делители мощности, каждый из которых соответствует одной из подрешеток и одному из входов, и выполнен с возможностью: приема сигнала со входа, соответствующего этому делителю мощности, распределения и подачи принятого сигнала на излучающие элементы, содержащиеся в антенной подрешетке, соответствующей этому делителю мощности, с амплитудами и фазами, в соответствии с предварительно определенным весовым коэффициентам распределения амплитуды и фазы, весовые коэффициенты сконфигурированы так, чтобы в совокупности у антенной решетки формировалась «косекансная» или близкая к «косекансной» диаграмма направленности, и вход, по меньшей мере, одного из делителей мощности дополнительно выполнен с возможностью приема сигнала с изменяющейся фазой, согласно изобретению, снабжена коммутатором СВЧ сигналов, в антенной решетке реализовано 4 подрешетки по 16 излучающих антенных элементов в каждой, имеющих плоскую конфигурацию, общий размер решетки 8×8-64 излучающих антенных элементов, а диаграмообразующая схема выполнена на основе линзы Ротмана.
Изобретение поясняется чертежами.
На фиг. 1 представлена блок-схема антенной решетки (АР) с использованием ДОС линзового типа; на фиг. 2 - АР, состоящая из 64 элементов; на фиг. 3 - Плоская линза Ротмана; на фиг. 4 - широкополосный многоканальный СВЧ переключатель лучевого типа.
АР для осуществления способа содержит коммутатор СВЧ сигналов 1, диаграммаобразующую схему (далее ДОС) на основе линзы Ротмана 2 и антенную решетку 3 с подрешетками 4, 5, 6, и 7.
Диаграммаобразующая схема (далее ДОС) выполнена на основе конструктивного узла линзового типа с N входами (N≥1) и М выходами (М≥N). Она способна реализовать амплитудно-фазовое распределение (АФР), формирующее минимум N парциальных диаграмм направленности Коммутатор СВЧ сигналов 1 выполняет функции делителя мощностей в цикле работы АР на передачу и сумматора мощностей в цикле работы АР на прием.
ДОС линзового типа 2 предназначена для получения АФР, реализующую требуемую диаграмму направленности. Конструктивно ДОС линзового типа 2 может быть выполнена в виде плоской линзы Ротмана, представленной на фиг. 3. На современном этапе развития сканирующих и многолучевых АР линза Ротмана получила широкое распространения в качестве диаграммообразующего устройства при построении фазированных антенных решеток вплоть до миллиметрового диапазона длин волн.
Так в работе [Ershali S.E., Keshtkar A., Bayat A., Abdelrahman А.Н., Xin Н., Rotman lens design and optimization for 5 G applications. Internatioal Journal of Microwave and Wireless Technologies. 2018. V. 10. №9. p. 1048-1057. DOI: 10.1017/S1759078718000934] предложена оптимизированная линза Ротмана для сетей сотовой связи пятого поколения (5G) размерностью 7*8 с минимизацией фазовой ошибки. Предложенная линза работает в диапазоне частотой от 25 до 31 ГГц и может быть интегрирована с широкополосными антенными решетками для сетей связи 5G.
В работе [Rahimian A., Design and performance of a Ku-band Rotman lens beamforming network for satellite systems / Progress In Electromagnetics Research. M. 2013. V. 28. P. 41-55. DOI: 102528/PIERM 12111511] представлено диаграммообразующее устройство на основе линзы Ротмана сантиметрового диапазона длин волн (Ku-диапазона: 10,7-18 ГГц) для систем спутниковой связи.
Использование линзы Ротмана дает ряд преимуществ, а именно: малые фазовые ошибки в линзе, легкость изготовления, низкая стоимость, малый вес и широкополосность [И.А. Зеленин, А.Г. Рыжков, С.М. Федоров. Антенная решетка на основе линзы Ротмана. Радиоэлектроника и системы связи. С. 4-17. УДК 621.396.67].
Линза Ротмана в качестве ДОС АР, формирующей многолучевую или сканирующую диаграмму направленности, представляет собой ограниченную двумя дугами - дугой портов лучей и дугой портов возбуждения (питания) линзу (фиг. 3) [Хансен Р.С.Фазированные антенные решетки. Второе издание. - М.: Техносфера, 2012. - 560 с., ISBN 978-5-94836-323-3].
АФР, получаемое на выходе ДОС АР на основе линзы Ротмана, определяется различной длиной оптических путей распространения электромагнитной волны от портов лучей до портов элементов линзы (фиг. 3), что обеспечивает для каждого порта элементов различное значение линейного сдвига фазы.
Линза на фиг. 3 генерирует на выходной дуге такое распределение амплитуды и фазы электромагнитного поля, которое одновременно производит несколько лучей, охватывающих различные секторы пространства в вертикальной либо горизонтальной плоскости. Каждый луч, сформированный линзой Ротмана, в идеале имеет усиление однолучевой антенной решетки того же размера.
Каждому лучу (парциальной) ДН АР соответствует отдельный входной порт (порт луча), расположенный на выходе дуге линзы [И.А. Зеленин, А.Г. Рыжков, С.М. Федоров. Антенная решетка на основе линзы Ротмана. Радиоэлектроника и системы связи. С. 4-17. УДК 621.396.67]. Формат исполнения линзы Ротмана представляет собой микрополосковую или полосковую линию для возбуждающей части, и либо коаксиальные кабели, либо линии на печатной плате для фидерной части [Хансен Р.С. Фазированные антенные решетки. Второе издание. - М.: Техносфера, 2012. - 560 с., ISBN 978-5-94836-323-3].
Коммутатор СВЧ сигналов 1 выполняет функцию разделения сигнала, поступающего от приемопередающего устройства, на N выходов, соединенных с N портами лучей ДОС на основе линзы Ротмана 2 в цикле работы АР на передачу. В цикле работы АР на прием коммутатор СВЧ сигналов 1 суммирует выходной сигнал с портов лучей ДОС на основе линзы Ротмана 2 и с его выхода сигнал поступает в приемопередающий тракт. Коммутатор СВЧ сигналов 1 может быть выполнен по микрополосковой технологии с использованием полупроводниковых элементов. Соединение элементов антенно-фидерного тракта радиоэлектронной станции с АР и коммутатора СВЧ сигналов обеспечивается коаксиальными кабелями либо линиями передачи на печатной плате.
В качестве коммутатора СВЧ сигналов может быть использован широкополосный многоканальный СВЧ переключатель лучевого типа с оптимизированными параметрами (фиг. 4) [Владимиров В.М., Кулинич С.Н., Савин А.К., Шихов Ю.Г. Красноярский научный центр СО РАН Академгородок, Красноярск. Широкополосные многоканальные СВЧ переключатели лучевого типа с оптимизированными параметрами].
АР 3 предназначена для формирования, изменения пространственной ориентации и формы диаграммы направленности, обеспечения требуемого (заданного) коэффициента направленного действия на основе реализованного в ней АФР поля электромагнитной волны и геометрического расположения антенных элементов.
2
2
Конструкция АР 3 имеет М независимых друг от друга подрешеток 4-7, сформированных из М излучающих элементов каждая (фиг. 3). Общий размер антенной решетки составляет N * М излучающих антенных элементов, размер которых, как и общий размер антенной решетки 3 может различаться.
Нет необходимости использовать большое число делителей, фазовращателей и аттенюаторов, которые для диапазона СВЧ достаточно дороги и допускают определенные потери энергии в каналах АР.
Применение ДОС на основе линзы Ротмана обеспечивает снижение потерь в каналах АР, за счет чего обеспечивается увеличение эффективности формирования многолучевой ДН и снижение энергопотребления.
Антенная решетка 3 с использованием ДОС линзового типа 2 работает следующим образом.
Приемопередающие каналы базовой станции идентичны тем, что применяются для сканирующих антенных решеток, известны специалистам в данной области техники, поэтому подробно не раскрываются в настоящем описании. Однако, при использовании разработанной АР 3 для ее возбуждения достаточно использовать радиосигнал от единого антенно-фидерного тракта. Использование большего количества антенно-фидерных трактов возможно, но усложняет конструкцию АР.
В цикле работы на передачу радиосигнал с антенно-фидерного тракта поступает на вход коммутатора СВЧ сигналов 1, где он распределяется равномерно на N выходов, соединенных с ДОС на основе линзы Ротмана 2. Сигнал в ДОС на основе линзы Ротмана 2 проходит через тело линзы, предназначенное для формирования весовых коэффициентов с необходимым АФР для образования требуемой диаграммы направленности. С выхода ДОС 2 сигнал поступает на подрешетки 4-7 и питает их. С выхода излучающих элементов сигнал в форме электромагнитной волны распространяется в открытом пространстве.
В цикле работы на прием прохождение радиосигнала аналогично, что и на передачу, за исключением того, что с выхода ДОС на основе линзы Ротмана мощность сигнала суммируется и поступает в антенно-фидерный тракт.
Способ формирования диаграммы направленности заключается в том, что для формирования требуемой диаграммы направленности необходимо знать амплитудно-фазовое распределение (АФР), поступающее на входы антенной решетки 3. Данное АФР возможно получить при помощи использования диаграммаобразующей схемы (ДОС) 2 линзового типа и решения задачи нахождения коэффициентов на первой и второй преломляющей поверхности линзы. В ДОС линзового 2 типа использована линза Ротмана. Задача решается при помощи зарегистрированной программы для ЭВМ ««Программа моделирования пространственно-временного сигнала на выходе диаграммообразующей схемы линзового типа антенной решетки РЭС СВЧ-диапазона (№2020660331 от 02 сентября 2020 года). На основе программы выбирают одно из доступных АФР, необходимое для формирования требуемой диаграммы направленности, и далее сигнал с рассчитанным АФР через выходы ДОС линзового типа 2 поступает на излучающие элементы каждой подрешетки 4-7, где происходит формирование формы и коэффициента направленного действия.
При разработке АР, выполняют предварительное моделирования для определения ее параметров в зависимости от требуемых конечных характеристик антенны с применением хорошо известных существующих методов. Предварительное моделирование включает ряд этапов.
В соответствии с требуемыми параметрами усиления антенны и формы диаграммы направленности, исходящими из требований покрытия определенной зоны обслуживания, определяют требуемое общее число N излучателей. При этом, чем больше таких излучателей, тем больше минимальное требуемое усиление антенной решетки. С другой стороны, чем меньше излучателей, тем антенная решетка в целом проще и дешевле.
Затем на основании общего числа излучателей формируют антенные подрешетки 4-7. Число антенных подрешеток может быть либо минимально возможным для обеспечения требуемых параметров излучения (например, усиление, форма диаграммы направленности), либо предварительно определенным. Как показано на примере фиг. 3 из K излучателей могут быть сформированы четыре антенные решетки, каждая из которых содержит к излучателей.
Далее выбирают тип излучающих элементов антенной решетки, для каждой из антенных подрешеток в зависимости от требований к материалу и размерам антенны, к рабочей полосе частот, согласованию с питающей линией, к направленности и поляризации. Например, в качестве подходящего типа может быть выбран полосковый дипольный излучатель, излучатель типа Вивальди или другой излучающий элемент, известный специалисту в данной области техники. Предпочтительно, чтобы для всей антенной решетки выбирать один и тот же тип излучателя.
После этого производят оптимизацию размера излучателя. Размер излучателя может быть обратно пропорционален рабочей частоте (или прямо пропорционален длине волны). Например, для случая с дипольным излучателем размер может составить примерно λ/2 с учетом укорочения в материале.
Затем оптимизируют расположение выбранных излучающих элементов в единую АР в зависимости от требуемой направленности, усиления, уровня боковых лепестков и поляризации.
В итоге, исходя из требований к зоне покрытия и требований к характеристикам излучения, определяют и оптимизируют весовые коэффициенты распределения фазы и амплитуды каждой антенной подрешетки 4-7 в зависимости от выбранного типа излучателя и его места в АР, т.е формируют АФР.
Проведенное таким образом предварительное моделирование, позволяет получить АР, соответствующую изначально заданным требованиям к антенне. То есть антенная решетка выполняется из М подрешеток в сумме из K излучателей, имеющих определенные параметры. Входы и выходы ДОС на основе линзы Ротмана для питания антенных подрешеток выбираются в зависимости от определенных весовых коэффициентов, которые формируют необходимую формы диаграммы направленности.
Наилучшее применение настоящее изобретение может найти для антенн базовых станций 4-го и последующих поколений сетей мобильной связи, где используются технологии с множеством входов и множеством выходов (MIMO) или технологии формирования многолучевой связи по принципу «интеллектуальной» антенны.