УСТРОЙСТВО КОГЕРЕНТНОГО ПРОСТРАНСТВЕННО-РАЗНЕСЕННОГО ПРИЕМА И ПЕРЕДАЧИ РАДИОСИГНАЛОВ
COHERENT SPACED DIVERSITY RADIO SIGNAL RECEIVING AND TRANSMITTING DEVICE

Настоящее устройство относится к области радиотехники и может быть использовано в радиосвязи.
Из существующего уровня техники известно устройство по патенту RU 2075832 С1. Способ пространственного разнесенного приема сигнала от источника излучения, переданного по многолучевому каналу, и устройство для его осуществления (20.03.1997, Фиговский Э.А., Бахарев О.Д.), содержащее N приемных антенн, размещенных на прямой, ориентированной на источник излучения, на расстоянии друг от друга большем длины волны или кратном ей; N-1 блоков когерентного сложения, один из входов i-го блока когерентного сложения (i=1,…,N-1) подключен к выходу j-го приемного антенного элемента (j=2,…,N), а другие входы блоков когерентного сложения подключены к выходу первой приемной антенны; блок когерентного сложения, N входов которого подключены к N выходам приемных антенн; причем каждый блок когерентного сложения содержит управляемый фазовращатель и схему управления; блок оптимального сложения, выполненный в виде блока мажоритарного весового суммирования, входы которого подключены к выходам блоков когерентного сложения.
Недостатком данного технического решения является отсутствие пространственной селекции радиосигналов по дальности.
Наиболее близкой по технической сущности к данному изобретению является устройство, описанное в патенте RU 2192094 С1. Способ когерентной передачи данных (27.10.2002, Гармонов А.В., Карпитский Ю.Е., Савинков А.Ю.), где передающая сторона содержит К ветвей разнесенной передачи сигнала К пользователей, каждая ветвь разнесенной передачи сигнала пользователя содержит N блоков предыскажения информационного сигнала, генератор пилот-сигналов, N сумматоров, блок коррекции, N передающих антенн и N приемных антенн; первые входы ветвей разнесенной передачи сигнала пользователей являются информационными входами и образуют входы устройства, вторые их входы соединены с соответствующими им выходами блока коррекции; выходы ветвей разнесенной передачи сигнала пользователей соединены с соответствующими им первыми входами N сумматоров, вторые входы сумматоров соединены с соответствующими им выходами генератора пилот-сигналов; выход каждого сумматора соединен с входом соответствующей ему передающей антенны; приемные антенны соединены с входами блока коррекции, причем первые входы блоков предыскажения информационного сигнала в каждой ветви разнесенной передачи сигнала пользователя объединены, образуя первый вход этой ветви; вторые входы блоков предыскажения информационного сигнала образуют вторые входы в каждой ветви, а выходы блоков предыскажения информационного сигнала являются выходами соответствующих ветвей разнесенной передачи сигнала пользователя; приемная сторона содержит приемную антенну, демодулятор, блок оценки, блок обратной связи и передающую антенну; приемная антенна соединена с первым входом демодулятора и входом блока оценки, первый выход блока оценки соединен со вторым входом демодулятора, выход которого является выходом устройства, второй выход блока оценки соединен с входом блока обратной связи, выход которого соединен с передающей антенной.
Недостатком данного технического решения является отсутствие пространственной селекции радиосигналов по дальности.
Решаемая техническая задача в изобретении заключается в повышении пространственной избирательности по дальности при передаче и приеме радиосигналов.
Решаемая техническая задача в устройстве когерентного пространственно-разнесенного приема и передачи радиосигналов, содержащем модуль формирования и обработки сигнала, радиочастотный выход которого подключен к входу сумматора, соответствующие выходы которого подключены к N управляемым линиям задержки соответственно, каждая из которых связана со своей антенной, к каждой управляемой линии задержки подключен соответствующий вход схемы управления, первый информационный вход схемы управления подключен к соответствующему выходу модуля формирования и обработки сигнала, достигается тем, что дополнительно введен модуль определения местоположения объекта, подключенный ко второму информационному входу схемы управления, а N антенн установлены с шагом, который удовлетворяет условию
где R - максимальная дальность действия устройства, λ - длина волны радиосигнала, L - максимальный линейный размер области, в которой расположены антенны, N - натуральное число большее или равное четырем.
На фиг.1 приведена функциональная схема устройства когерентного пространственно-разнесенного приема и передачи радиосигналов.
На фиг.2 приведена функциональная схема управляемой линии задержки.
На фиг.3 приведена условная схема размещения антенн устройства.
На фиг.4 приведена интерференционная картина поля в окрестности точки фокусировки, формируемой устройством.
1
N
1
N
1
N
1
N
Заявленное устройство, показанное на фиг.1, состоит из модуля формирования и обработки сигнала 1, сумматора 2, N управляемых линий задержки 3…3, N антенн 4…4, схемы управления 5, модуля определения местоположения объекта 6. Радиочастотный выход модуля формирования и обработки сигнала 1 подключен к соответствующему входу сумматора 2, выходы которого подключаются к соответствующим входам управляемых линий задержки 3…3 соответственно, выходы которых подключены к антеннам 4…4, к управляющим входам управляемых линий задержки подключены соответствующие входы схемы управления 5, к первому информационному выходу схемы управления 5 подключен соответствующий информационный вход модуля формирования и обработки сигнала 1, ко второму информационному входу схемы управления 5 подключен информационный выход устройства определения местоположения объекта 6, N антенн установлены с шагом, который удовлетворяет условию
где R - максимальная дальность действия устройства, λ - длина волны радиосигнала, L - максимальный линейный размер области, в которой расположены антенны, N - натуральное число большее или равное четырем.
i
i
m
k
m
k
m
(k-l)
На фиг.2 показана функциональная схема управляемой линии задержки 3,  обеспечивающей задержку сигнала в диапазоне [0; Λ], где Λ>>2π. Управляемая линия задержки 3,  состоит из коммутируемых линий задержки 7,  8,  и коммутаторов 9 и 10. Величина задержки коммутируемой линии задержки 7 определяется выражением λ/2. Величина задержки коммутируемой линии задержки 8определяется выражением 2λ. Принципы построения управляемых линий задержки известны и описаны (см. Каганов В.И. СВЧ-полупроводниковые радиопередатчики. - М.: Радио и связь, 1981, с.74-79).
Модуль формирования и обработки сигналов 1 представляет собой приемопередающий модуль, дополненный цифровым модулем формирования и обработки сигналов. Принципы построения подобных модулей известны и описаны (см. Активные фазированные антенные решетки / Под ред. Д.И.Воскресенского и А.И.Канащенкова. - М.: Радиотехника, 2004, с.18-31).
Сумматор 2 может быть построен на базе полосковых структур. Принципы построения полосковых сумматоров/делителей мощности известны и описаны (см. Антенны и устройства СВЧ. Проектирование фазированных антенных решеток / Под ред. Д.И. Воскресенского, 2-е изд., доп.и перераб. - М.: Радио и связь, 1994, с.297-308).
Схема управления 5 может быть выполнена на базе ПЛИС. Принципы построения подобных устройств известны и описаны (см. Проектирование цифровых устройств на основе ПЛИС фирмы XILINX в САПР WebPACK ISE. - М.: Горячая линия - Телеком. 2003. - 624 с.).
Модуль определения местоположения объекта 6 может быть выполнен как приемник географических координат от объекта определяемых при помощи приемоизмерителей ГЛОНАСС с обеспечением передачи определенных координат объекта на модуль определения местоположения объекта. Принципы построения подобных устройств известны и описаны (см. Manual on VHF Digital Link (VDL) Mode 4. Doc 9816 ICAO).
Заявленное устройство работает следующим образом.
Режим, радиопередача - передача радиосигнала с формирование максимума энергии поля в заданной области пространства.
Режим, радиоприем - прием радиосигнала при формировании максимума энергии поля в заданной области пространства.
0
0
0
1
N
Режим, радиопередача. Предположим, что с помощью устройства необходимо передать радиосигнал на объект, находящийся в точке с координатами {x, у, z} местной декартовой системы координат, как показано на фиг.3. При рассмотрении работы устройства определим, что количество антенн 4…4 N=32, длина волны λ=1 м, дальность действия устройства R=l 00000 м. Из выражения
определим шаг
1
32
Далее положим, что антенны равноудалены друг от друга, тогда линейный размер совокупной антенной системы, состоящей из антенн 4…4, равен L=d·(N-1)≥32.25·(32-1)≈1000 м.
0
0
0
Модуль определения местоположения объекта 6 определяет географические координаты объекта и высоту  {В,L,Н}, которые в рассматриваемом случае будут являться координатами точки фокусировки, и передает их на схему управления 5.
1
32
1
32
Алгоритм работы схемы управления 5 приведен в приложении 1. Суть алгоритма заключается в настройке управляемых линий задержки 3…3 для обеспечения синфазного сложения радиосигналов, излучаемых антеннами 4…4, в точке фокусировки. После выполнения настройки управляемых линий задержки выполняется передача радиосигнала.
1
32
1
32
Сигнал с радиочастотного выхода модуля формирования и обработки сигнала 1 поступает на сумматор 2, в данном режиме выполняющий функции делителя, и разветвляется на N направлений, в каждом из которых выполняется соответствующая задержка сигналов при помощи управляемых линий задержки 3…3, с выходов которых сигналы поступают на антенны 4…4 и излучаются.
1
32
При этом совокупность пространственно-разнесенных антенн 4…4может рассматриваться как сильно разреженная антенная решетка (РАР).
Отметим, что зона Френеля такой РАР будет иметь достаточно большие размеры. В зоне Френеля поле имеет немонотонный характер не только по направлению, но и по дальности, как показано на фиг.4. Подобный характер распределения поля в зоне Френеля РАР обуславливает преимущества, которых позволяет добиться устройство когерентной пространственно-разнесенной передачи и приема радиосигнала (Ю.Е.Седельников. Антенные решетки в зоне Френеля: состояние теории и перспективные приложения // Физика волновых процессов и радиотехнические системы. 2007 Т.10 - №5. - С.15-16).
Согласно выполненным расчетам, в зоне действия системы, ограниченной дальностью R=100000 м, удается обеспечивать фокусировку электромагнитного поля сигнала в области, ограниченной размерами по глубине
[м]
где R - расстояние до точки фокусировки; и ширине , как показано на фиг.4.
Причем эффективность подобного устройства возрастает с увеличением отношения Nη, где N - количество элементов PAP, η - коэффициент широкополосности излучаемого радиосигнала. Если оценивать коэффициент направленного действия РАР на поверхности сферы, на конечной дальности, то его уровень в области фокусировки по отношению к уровню вне этой области будет больше примерно в Nη/2, где N - количество элементов PAP, η - коэффициент широкополосности радиосигнала.
Таким образом, при бóльших значениях отношения Nη за счет концентрации энергии в области, ограниченной размерами
обеспечивается большая избирательность по дальности и по направлению.
0
0
0
Режим радиоприем. Предположим, что с помощью устройства необходимо принять радиосигнал от объекта, находящегося в точке с координатами {x, у, z} местной декартовой системы координат, как показано на фиг.3. При рассмотрении работы устройства определим, что количество антенн N=32, длина волны λ=1 м, дальность действия устройства R=100000 м. Из выражения
определим шаг
1
32
Далее положим, что антенны равноудалены друг от друга, тогда линейный размер совокупной антенной системы, состоящей из антенн 4…4, равен L=d·(N-1)≥32.25·(32-1)≈1000 м.
0
0
0
Модуль определения местоположения объекта 6 определяет географические координаты объекта и высоту {В,L,Н}, которые в рассматриваемом случае будут являться координатами точки фокусировки, и передает их на схему управления 5.
1
32
1
32
Алгоритм работы схемы управления 5 приведен в приложении 1. Суть алгоритма заключается в настройке управляемых линий задержки 3…3 для обеспечения синфазного сложения сигналов, принимаемых антеннами 4…4из точки фокусировки. После выполнения настройки управляемых линий задержки выполняется прием радиосигнала.
1
32
1
32
1
32
Радиосигналы, принятые антеннами 4…4, поступают на соответствующие входы управляемых линий задержки 3…3, где происходит компенсация разницы времен запаздывания сигналов, принятых каждой из антенн от объекта. С выходов управляемых линий задержки 3…3 сигналы поступают на соответствующие входы сумматора 2, где выполняется суммирование принятых сигналов, после чего результирующий суммарный сигнал поступает на радиочастотный вход модуля формирования и обработки сигнала 1.
Учитывая положения теоремы взаимности передающих и приемных антенн, можно утверждать, что свойства, описанные выше для режима - радиопередача, всецело присущи режиму - радиоприем. При радиоприеме устройство также принимает радиосигналы из области фокусировки, ограниченной размерами по глубине  и по ширине
Таким образом, предложенное устройство в сравнении с прототипом позволяет обеспечивать пространственную избирательность по дальности при передаче и приеме радиосигналов.