УСТРОЙСТВО ДЛЯ ФОРМИРОВАНИЯ ПОЛЯРИЗАЦИИ РАДИОСИГНАЛОВ ПРИЕМОПЕРЕДАТЧИКОВ (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 (Х-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 Х-поляризованными антеннами. Одновременно такое устройство должно обеспечивать прохождение без потерь сигналов, принимаемых Х-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 Х-поляризованной антенны. Сигналы, принимаемые Х-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.
Наиболее близким является устройство для формирования поляризации радиосигналов приемопередатчиков, содержащие Х-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 Х-поляризованной антенны через второй фазовращатель, а четвертое плечо второго гибридного моста подсоединено к другому антенному элементу Х-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 Polarization Diversity Schemes 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 ±0,5 дБ.
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.
Решаемая полезной моделью задача - повышение технико-эксплуатационных и функциональных характеристик.
Технический результат, который может быть получен при выполнении устройства, - уменьшение потерь приема-передачи сигналов, повышение надежности, упрощение конструкции, уменьшение веса и габаритов.
Для решения поставленной задачи с достижением указанного технического результата по первому варианту выполнения полезной модели в известном устройстве для формирования поляризации радиосигналов приемопередатчиков, содержащем Х-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, согласно заявленному техническому решению базовая станция выполнена со вторым входом приемной аппаратуры, и второе плечо гибридного моста соединено с ним, третье плечо гибридного моста непосредственно подсоединено к одному антенному элементу Х-поляризованной антенны, а четвертое плечо гибридного моста подсоединено к другому антенному элементу Х-поляризованной антенны через фазовращатель.
Возможен дополнительный вариант выполнения устройства по первому варианту, в котором целесообразно, чтобы был введен полосовой фильтр, и второе плечо гибридного моста соединено со вторым входом приемной аппаратуры через него.
Для решения поставленной задачи с достижением указанного технического результата по второму варианту выполнения полезной модели в известном устройстве для формирования поляризации радиосигналов приемопередатчиков, содержащем 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, согласно заявленному техническому решению базовая станция выполнена со вторым входом приемной аппаратуры, и второе плечо гибридного моста соединено с ним, третье плечо гибридного моста подсоединено к одному антенному элементу Х-поляризованной антенны через фазовращатель, а четвертое плечо гибридного моста непосредственно подсоединено к другому антенному элементу Х-поляризованной антенны.
Также возможен дополнительный вариант выполнения устройства по второму варианту, в котором целесообразно, чтобы был введен полосовой фильтр, и второе плечо гибридного моста соединено со вторым входом приемной аппаратуры через него.
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 - то же, что фиг.1, при установке полосового фильтра между вторым плечом гибридного моста и вторым входом базовой станции.
1
2
1
2
3
4
Устройство для формирования поляризации радиосигналов приемопередатчиков (фиг.1) содержит Х-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 Х-поляризованной антенны 1, при этом одно из плеч подсоединено к антенному элементу 2 или 3 через фазовращатель 6 (фиг.1, 2).
Для первого и второго варианта выполнения полезной модели между вторым плечом А2 гибридного моста и входом П2 приемной аппаратуры базовой станции можно подключить полосовой фильтр 7 (ПФ), пропускающий сигналы на частоте приемного канала и отражающего сигналы на частоте передающего канала для исключения возможности ошибочного подключения устройства к выходам ППА и ПА базовой станции 5 (фиг.3).
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 Х-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.
1
2
В тоже время при переключении сигналов передатчиков с выхода П на П разность фаз на антенных элементах 2 и 3 измениться на 180° при использовании квадратурного типа гибридного моста 4, т.е. вместо вертикальной поляризации будет излучаться горизонтальная.
2
Чтобы исключить возможность такого ошибочного подключения предусмотрен дополнительный вариант исполнения устройства с полосовым фильтром в плече Агибридного моста 4, пропускающий сигналы на частоте приема и блокирующий их сигналов на частоте передачи (фиг.3).
3
4
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 П1 и П2 базовой станции.
Аналогично работает устройство по второму варианту выполнения полезной модели.
1
2
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° Х-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.
В заявленном устройстве потери сведены до 0,2 дБ, что определяется потерями в гибридном мосте, составляющими 0,1 дБ. Вместе с тем, предельная простота устройства позволяет за счет уменьшения количества конструктивных элементов повысить надежность, снизить габариты и вес устройства при сохранении выигрыша от использования разнесенного приема.
Наиболее успешно заявленное устройство для формирования поляризации радиосигналов приемопередатчиков применимо в оборудовании сотовой связи.