СТАНЦИЯ РАДИОРЕЛЕЙНОЙ СВЯЗИ СО СКАНИРУЮЩЕЙ АНТЕННОЙ
RADIO RELAY COMMUNICATION STATION WITH SCANNING ANTENNA

Область техники
Изобретение относится к области радиосвязи, в частности к высокоскоростным соединениям типа «точка-точка» и «точка-многоточка» миллиметрового диапазона длин волн, обеспечиваемым посредством станций радиорелейной связи (РРС) с электронным сканированием луча.
Уровень техники
Радиорелейные станции миллиметрового диапазона длин волн предназначены для обеспечения высокоскоростной связи типа «точка-точка» и «точка-многоточка» на расстояниях от сотен метров до нескольких километров в условиях прямой видимости. Такие станции широко используются в различных транспортных сетях для множества приложений, одним из наиболее перспективных из которых являются транспортные сети между базовыми станциями систем мобильной сотовой связи.
В настоящее время радиорелейные станции используют различные радиочастотные диапазоны от 2 до 100 ГГц. При этом с возрастанием требований к скорости передачи данных использование высокочастотных диапазонов становится все более перспективным. Увеличение скорости передачи данных при большем значении несущей частоты основано, как правило, на возможности использования более широкой полосы частот для передачи сигнала.
Однако при увеличении частоты одновременно увеличиваются и потери при распространении сигнала в свободном пространстве. Для компенсации потерь при распространении сигнала используются апертурные антенны (размер антенны много больше рабочей длины волны) с большим коэффициентом направленного действия (КНД) и, как следствие, узким лучом диаграммы направленности (ДН).
Узкий луч антенны, кроме того, позволяет каждой линии РРС работать независимо от других линий и обеспечивает малый уровень помех для любых расположенных в непосредственной близости устройств в силу значительной локализации излучения в пространстве. Так, например, требования ГКРЧ от 15 июля 2010 г. N 10-07-04-1 регламентируют ширину луча ДН антенны РРС, работающей в диапазонах частот 71-76/81-86 ГГц, на уровне, не превышающем 1 градус.
Однако при использовании антенн с узким лучом диаграммы направленности возникают трудности, связанные с юстировкой и вероятностью сбоя связи даже при незначительных изменениях ориентации радиорелейной станции вследствие случайных отклонений несущих конструкций, вызванных, например, вибрациями, ветром, нагревом частей несущих конструкций. Для обеспечения автоматической настройки положения луча в диапазоне углов в несколько ширин основного луча диаграммы направленности за небольшое время и без необходимости вмешательства специально обученного персонала используют апертурные антенные устройства с электронным сканированием луча, которые находят все большее применение в различных областях радиосвязи, включающих в себя различные радарные приложения, локальные системы связи и радиорелейные системы связи. Применение сканирующих антенн часто предполагает и изменение функциональной структуры всего приемопередающего устройства.
Электронная подстройка луча позволяет автоматически за небольшое время адаптировать направление основного луча диаграммы направленности (ДН) при изменении ориентации РРС. Кроме того, возможность электронной подстройки луча значительно упрощает устройство для точной механической юстировки антенн.
Электронное сканирование луча может быть осуществлено несколькими способами. Для антенн с большой апертурой наиболее эффективным способом сканирования является переключение положения луча. Такое переключение осуществляется высокочастотной переключающей схемой, соединенной с решеткой первичных антенных элементов некоторой апертурной антенны.
Однако одним из существенных недостатков, ограничивающих широкое распространение сканирующих антенн в различных системах радиосвязи, является наличие дополнительных потерь в высокочастотной переключающей схеме распределения сигнала. Такая переключающая схема состоит в общем случае по меньшей мере из одного полупроводникового переключателя, который в силу технологических особенностей не может быть реализован полностью без потерь. Причем потери в переключателях, как очевидно, 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 диапазона частот более 60 ГГц вносят потери приблизительно в 0,7÷1,5*N дБ. Так, например, потери в переключателе на 4 положения TGS4306-FC компании Triquint Semiconductors составляют более 3 дБ (т.е. при переключении теряется половина мощности). Дополнительно нельзя не учесть и потери, вызванные установкой переключателя в схему переключения (например, на печатную плату), которые типично составляют около 1 дБ.
Далее приведено описание известных антенн с возможностью электронного сканирования луча, а также станций радиорелейной связи и радаров, использующих сканирующие антенны различных конфигураций.
Системы радиорелейной связи типа «точка-точка» с электронным сканированием луча.
Система радиорелейной связи типа «точка-точка» с электронным сканированием луча раскрыта, например, в патентной заявке PCT/RU 2011/000814 "System and method of relay communication with electronic beam adjustment". Раскрытая в данной заявке система состоит из двух приемопередающих станций, расположенных в зоне прямой видимости, каждая из которых содержит антенну, обеспечивающую возможность электронного переключения положения луча, и модуль управления, который служит для реализации алгоритма управления положением луча антенны, построенного на основе получаемой служебной информации станции.
При этом известны различные конфигурации сканирующих антенн. 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 антенных элементов. Такая конструкция позволяет осуществить электронное сканирование луча в различных радарных приложениях.
В патентной заявке PCT/RU 2011/000371 раскрыт еще один вариант реализации сканирующей антенны. Указанная антенна является интегрированной линзовой антенной, в которой решетка первичных антенных элементов устанавливается непосредственно на плоскую поверхность линзы, формирующей узкий луч при возбуждении каждого антенного элемента. Расположение антенных 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 антенными элементами. Такое расположение антенных элементов приводит к уменьшению электрической длины волны при распространении излучения в теле линзы тем большему, чем больше значение диэлектрической проницаемости линзы. За счет этого обеспечивается миниатюризация самих антенных элементов и возможность их расположения на небольших расстояниях друг от друга. Таким образом, требуемая площадь антенной решетки значительно меньше, чем для антенн другого типа, в которых антенные элементы и основное фокусирующее устройство (зеркало или линза) разнесены друг от друга.
С другой стороны, возможность близкого расположения антенных элементов обеспечивает небольшое угловое расстояние между положениями основных лучей ДН при сканировании. Таким образом, становится возможной разработка сканирующих интегрированных линзовых антенн с достаточно большим перекрытием лучей при сканировании и, как следствие, обеспечением сканирования в некотором непрерывном диапазоне углов, превышающем ширину луча антенны. Это преимущество интегрированных линзовых антенн особенно важно для рассматриваемых приложений радиорелейной связи.
Системы радиорелейной связи типа «точка-многоточка» с несколькими антеннами
В качестве еще одного аналога предложенного изобретения можно рассматривать и некоторые известные системы радиорелейной связи типа «точка-многоточка». Так, в патенте США 7844217 "Point-to-multipoint communication terminal having a single RF chain" раскрыта станция радиорелейной связи, содержащая две направленные антенны с фиксированными положениями лучей для связи с двумя пространственно разнесенными терминалами (см. фиг.1). При этом станция содержит только один передатчик и один приемник, а выбор антенны для передачи и приема сигнала осуществляется с помощью высокочастотной переключающей схемы. Очевидно, что раскрытая станция может обеспечивать связь только в режиме временного разделения приемопередачи. Кроме того, передача сигнала на два удаленных терминала также должна выполняться в различные интервалы времени, что уменьшает общую скорость соединения между станцией и каждым из удаленных терминалов. При этом модем станции должен содержать блок выбора информационного потока для обработки сигнала от/для одного из двух удаленных терминалов, синхронизованный с высокочастотной переключающей схемой.
Недостатком рассмотренной станции также является высокий уровень потерь в переключающей схеме при работе в миллиметровом диапазоне длин волн. Кроме того, в рассмотренной системе не предусмотрена возможность частотного режима разделения приемопередачи, при котором передача и прием данных осуществляются одновременно в различных диапазонах частот.
Автомобильные радары миллиметрового диапазона длин волн.
Устройство автомобильных радаров миллиметрового диапазона длин волн во многом аналогично устройствам радиорелейных станций со сканирующей антенной. Известно устройство автомобильного радара, раскрытое в патенте США 6034641 "Antenna device". Общая схема этого устройства показана на фиг.2.
Рассматриваемое устройство автомобильного радара состоит из нескольких независимых элементов радара, каждый из которых содержит приемный и передающий радиочастотные модули, переключающие схемы принятого и передаваемого сигналов и решетку первичных антенных элементов, которые служат для обеспечения электронного сканирования в антенной системе. Сама антенная система при этом может быть основана на линзовой антенне, рефлекторной антенне или апертурных антеннах других типов.
Использование высокочастотной схемы переключения сигнала приводит к возникновению дополнительных потерь в радиотракте, что является недостатком рассмотренного радара. Наличие таких дополнительных потерь предопределяет уменьшение дальности работы радара или системы радиосвязи, что может привести в некоторых случаях к неэффективности или невозможности использования систем с электронным сканированием луча.
Наиболее очевидным способом уменьшения потерь в высокочастотной переключающей схеме является разработка более эффективных переключателей миллиметрового диапазона длин волн. Однако такой способ представляется достаточно труднореализуемым и не способным обеспечить уменьшение потерь до нуля в силу недостаточного развития полупроводниковых технологий на настоящий момент.
Из уровня техники также известно другое техническое решение, применяемое в автомобильных радарах миллиметрового диапазона длин волн. Данное техническое решение раскрыто в патенте США 5486832 "RF sensor and radar for automotive speed and collision avoidance applications". Схема этого технического решения показана на фиг.3. В рассматриваемом устройстве используется антенна, способная обеспечить электронное сканирование луча за счет переключения между элементами решетки первичных антенных элементов. Переключающая схема такого устройства реализована на видеочастоте за счет того, что используется набор смесителей принятого сигнала, каждый из которых соединен с одним первичным антенным элементом.
Однако устройство рассматриваемого автомобильного радара не может быть применено в радиорелейных станциях. Во-первых, этот радар может сканировать только приемным лучом, так как к антенным элементам подключены только приемные смесители. Излучение сигнала осуществляется отдельной антенной с широкой диаграммой направленности. В радиорелейной станции требуется обеспечить как передачу, так и прием сигнала, что возможно при использовании вместо приемных смесителей более сложных радиочастотных блоков, способных обеспечить обработку принятого сигнала и формирование передаваемого сигнала с использованием одного из известных режимов дуплексирования радиопередачи. Также необходимо и использование двух блоков распределения (коммутирования) сигнала. Во-вторых, в рассматриваемом радаре предполагается последовательное переключение всех антенных элементов для обработки в процессоре, что определяется спецификой радаров. Поэтому вход блока выбора луча подключен только к генератору опорного сигнала, на основе которого происходит последовательное переключение положения луча. В радиорелейной станции модуль управления положением луча должен иметь расширенную функциональность, в частности обеспечивать возможность переключать луч в произвольном порядке, основываясь на своих алгоритмах и служебной информации, получаемой от модема станции. Это предопределяется случайной природой отклонений несущих конструкций вследствие вибраций, ветра, нагрева частей и т.п., на устранение которых и направлено использование сканирующих антенн в РРС.
Прототипом предложенного изобретения является станция радиорелейной связи типа «точка-точка» с электронным сканированием луча, раскрытая в патентной заявке PCT/RU 2011/000814. Использование рассмотренных сканирующих антенн в составе такой станции радиорелейной связи предполагает наличие переключающей схемы, которая распределяет сигнал от приемопередатчика на один из первичных антенных элементов.
В общем случае составными частями станции-прототипа являются (фиг.4) сканирующая антенна по меньшей мере с двумя первичными антенными элементами, радиочастотный блок приемопередатчика, блок распределения принятого сигнала, соединенный с радиочастотным блоком, блок распределения передаваемого сигнала, соединенный с радиочастотным блоком, блок цифроаналогового и аналого-цифрового преобразователей, модем, содержащий приемную часть и передающую часть, и модуль управления положением луча, соединенный с приемной и передающей частями модема через контрольные каналы и с блоками распределения принятого и передаваемого сигналов через управляющий канал.
Сканирующая антенна способна обеспечить электронное сканирование луча за счет переключения между первичными антенными элементами посредством переключающей схемы, которая переключает сигнал приемопередатчика на один из антенных элементов. Радиочастотный блок состоит из приемника, передатчика и устройства диплексирования сигнала. Блок распределения принятого сигнала и блок распределения передаваемого сигнала выполнены в виде единого блока распределения сигнала от радиочастотного блока. Модем выполняет цифровую обработку сигналов, а модуль управления вырабатывает управляющие сигналы для блока распределения сигнала на основе получаемых от модема служебных данных.
Из фиг.4 видно, что переключающая схема должна осуществлять переключение высокочастотного сигнала, сформированного на несущей частоте. На практике эти частоты составляют 30-100 ГГц. Переключение сигнала на столь высоких частотах в настоящее время невозможно осуществить без потерь. Как было указано ранее, известные переключатели миллиметрового диапазона длин волн с одним входом и N выходами имеют потери около 0,7÷1,5*/V дБ, и поэтому потери переключателя на четыре положения составляют порядка 3,5-4 дБ. Данные потери дублируются и на ответной стороне радиорелейной системы, что обуславливает значительной ослабление передаваемого сигнала и, как следствие, сокращение максимального расстояния, на которое может быть передан сигнал, более чем в 2 раза.
Таким образом, актуальной задачей является уменьшение потерь в переключающей схеме для эффективной и практичной реализации сканирующих антенн миллиметрового диапазона длин волн и увеличения дальности систем радиосвязи со сканирующими антеннами, работающими в дуплексном режиме приемопередачи.
Сущность изобретения
Для решения указанной задачи предложено использование станции радиорелейной связи, содержащей сканирующую антенну по меньшей мере с двумя первичными антенными элементами, радиочастотный блок, блок распределения принятого сигнала, соединенный с радиочастотным блоком, блок распределения передаваемого сигнала, соединенный с радиочастотным блоком, 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, отличающейся тем, что она дополнительно содержит по меньшей мере еще один радиочастотный блок, соединенный с блоком распределения принятого сигнала и блоком распределения передаваемого сигнала, причем каждый радиочастотный блок соединен по меньшей мере с одним первичным антенным элементом, блок распределения принятого сигнала соединен с приемной частью модема и выполнен с возможностью обеспечения подачи принятого сигнала по меньшей мере от одного радиочастотного блока, соответствующего управляющему сигналу от модуля управления положением луча, на приемную часть модема, а блок распределения передаваемого сигнала соединен с передающей частью модема и выполнен с возможностью обеспечения подачи передаваемого сигнала от передающей части модема по меньшей мере на один радиочастотный блок, соответствующий управляющему сигналу от модуля управления положением луча.
Предложенная станция радиорелейной связи позволяет эффективно использовать сканирующие антенны различного типа с обеспечением технического результата в виде уменьшения уровня потерь на переключение луча. Такой технический результат обеспечен введением дополнительно в известную из уровня техники станцию РРС еще по меньшей мере одного радиочастотного блока, соединенного по меньшей мере с одним первичным антенным элементом сканирующей антенны. Таким образом, предлагается использовать блок распределения принятого сигнала и блок распределения передаваемого сигнала для выбора по меньшей мере одного радиочастотного блока для обработки принятого и формирования передаваемого сигналов в заданных направлениях. Использование предложенной станции РРС 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, используемыми в известных станциях радиорелейной связи со сканирующими антеннами.
Таким образом, реализация предложенной станции 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. При этом указанное соотношение обеспечено независимо от типа используемой антенны.
Например, согласно одному из вариантов реализации, сканирующая антенна является зеркальной параболической антенной.
Еще в одном случае сканирующая антенна может является антенной Кассегрейна.
Еще в одном случае сканирующая антенна является линзовой антенной с тонкой линзой и вынесенными первичными антенными элементами.
Еще в одном случае сканирующая антенна является линзой Люнеберга.
Еще в одном случае сканирующая антенна является интегрированной линзовой антенной, причем первичные антенные элементы установлены непосредственно на поверхности линзы интегрированной линзовой антенны.
Согласно одному из вариантов реализации блок распределения принятого сигнала и блок распределения передаваемого сигнала каждый содержит по меньшей мере один низкочастотный аналоговый переключатель по меньшей мере между двумя направлениями. Такая конфигурация сканирующей антенны обеспечивает функционирование блоков распределения сигнала на видеочастоте приемопередатчика.
В другом предпочтительном варианте блок распределения принятого сигнала и блок распределения передаваемого сигнала реализованы в виде дополнительных блоков цифровой логики в модеме.
Согласно одному из вариантов реализации блок распределения принятого сигнала и блок распределения передаваемого сигнала реализованы в виде машиночитаемого носителя данных в модеме с записанным на нем соответствующим программным кодом.
Согласно другому варианту реализации станция также содержит высокочастотные переключающие схемы, которые соединены с радиочастотными блоками и с первичными антенными элементами сканирующей антенны и каждая из которых выполнена с возможностью выбора по меньшей мере одного антенного элемента для приема и/или передачи сигнала сканирующей антенной.
Согласно еще одному варианту реализации каждый радиочастотный блок содержит радиочастотный передатчик, радиочастотный приемник и диплексер для частотного разделения принятого антенной и передаваемого на антенну сигналов с обеспечением дуплексного режима радиосвязи с частотным мультиплексированием. Такая конфигурация позволяет увеличить скорость передачи данных.
Согласно еще одному варианту реализации каждый радиочастотный блок содержит радиочастотный передатчик, радиочастотный приемник и переключатель для временного разделения принятого антенной и направляемого на антенну сигналов с обеспечением дуплексного режима радиосвязи с временным мультиплексированием.
Согласно еще одному варианту реализации каждый радиочастотный блок содержит радиочастотный передатчик, соединенный по меньшей мере с одним первичным антенным элементом для передачи сигнала на одной линейной поляризации, и радиочастотный приемник, соединенный по меньшей мере с одним первичным антенным элементом для приема сигнала на второй линейной поляризации, ортогональной первой линейной поляризации.
Согласно еще одному варианту реализации станция выполнена с возможностью формирования сканирующей антенной только одного узкого луча диаграммы направленности в каждый момент времени. Посредством формирования только одного узкого луча диаграммы направленности возможно применение сканирующей антенны в системах радиосвязи типа «точка-точка».
Еще в одном случае станция может быть выполнена с возможностью формирования сканирующей антенной по меньшей мере двух узких лучей диаграммы направленности в каждый момент времени. Такая возможность обеспечивает применение сканирующей антенны в системах радиосвязи типа «точка-многоточка».
Предпочтительно при выборе блоком распределения принятого сигнала и блоком распределения передаваемого сигнала по меньшей мере одной из радиочастотных блоков остальные радиочастотные блоки отключены. Это позволяет обеспечить снижение энергопотребления станции радиорелейной связи со сканирующей антенной в любом из рассмотренных вариантов.
Краткое описание чертежей
На фиг.1 показана функциональная схема известной станции радиорелейной связи типа «точка-многоточка» (уровень техники).
На фиг.2 представлена общая функциональная схема автомобильного радара, раскрытого в патенте США 6034641 (уровень техники).
На фиг.3 показана функциональная схема автомобильного радара, раскрытого в патенте США 5486832 (уровень техники).
На фиг.4 показана функциональная схема известной станции радиорелейной связи с электронным сканированием луча (уровень техники).
На фиг.5 показана функциональная схема одного из вариантов реализации станции радиорелейной связи с блоком распределения принятого сигнала и блоком распределения передаваемого сигнала, реализованными на видеочастоте приемопередатчика, в соответствии с настоящим изобретением.
На фиг.6 показана функциональная схема одного из вариантов реализации станции радиорелейной связи с блоком распределения принятого сигнала и блоком распределения передаваемого сигнала, реализованными в виде дополнительных блоков цифровой логики, в соответствии с настоящим изобретением.
На фиг.7 показана функциональная схема одного из вариантов реализации радиочастотного блока для РРС с частотным мультиплексированием приемопередачи в соответствии с настоящим изобретением.
На фиг.8 показана функциональная схема одного из вариантов реализации радиочастотного блока для РРС с временным мультиплексированием приемопередачи в соответствии с настоящим изобретением.
Подробное описание изобретения
Для уменьшения потерь в станции радиорелейной связи при использовании сканирующей антенны предложено устройство станции радиорелейной связи с несколькими радиочастотными приемопередающими блоками, каждый из которых соединен по меньшей мере с одним первичным антенным элементом, так что обеспечивается электронное сканирование луча за счет переключения сигнала между радиочастотными блоками.
Более конкретно, предложено использование в радиорелейной станции нескольких радиочастотных блоков, каждый из которых выполняет формирование передаваемого сигнала на несущей частоте миллиметрового диапазона длин волн и сброс с несущей частоты принятого сигнала, блока распределения принятого сигнала и блока распределения передаваемого сигнала. Каждый радиочастотный блок электрически соединен по меньшей мере с одним первичным антенным элементом сканирующей антенны, а сканирование луча антенны осуществляется за счет выбора блоком распределения принятого сигнала и блоком распределения передаваемого сигнала по меньшей мере одного из радиочастотных блоков для обработки принятого и формирования передаваемого сигналов в заданном направлении. Согласно одному из вариантов реализации остальные радиочастотные блоки при этом отключены для снижения энергопотребления.
В состав предложенной станции РРС введены блок распределения принятого сигнала и блок распределения передаваемого сигнала и по меньшей мере два радиочастотных блока, соединенные с первичными антенными элементами.
Использование нескольких радиочастотных блоков, соединенных с соответствующими первичными антенными элементами, позволяет существенно уменьшить или полностью устранить потери в радиотракте на переключение между различными направлениями луча посредством переключающей (коммутирующей) схемы, работающей в низкочастотной области (то есть на видеочастоте приемопередатчика) и осуществляющей указанное переключение до переноса сигнала на несущую частоту, или посредством переключающей (коммутирующей) схемы, реализованной в виде блока цифровой логики.
a
a
a
RF
RF
RF
RF
RF
RF
RF
RF
RF
а
a
a
RF
RF
RF
а
a
a
RF
RF
RF
На фиг.5 представлена функциональная схема предложенной станции 100 радиорелейной связи в соответствии с одним из предпочтительных вариантов реализации, содержащей первичные антенные элементы 1, 2,…N, радиочастотные блоки 1, 2,…М и блок 40 распределения принятого сигнала и блок 50 распределения передаваемого сигнала, реализованные на видеочастоте приемопередатчика. В данном варианте реализации модем 10, содержащий приемную часть 11, включающую демодулятор 13 для обработки принятого сигнала, и передающую часть 12, включающую модулятор 14 для формирования передаваемого сигнала, соединен с блоками ЦАП 21 и АЦП 22 и с модулем 30 управления антенной посредством контрольных каналов 31. Блоки 40, 50 распределения принятого и передаваемого сигналов соединены с блоками ЦАП 21 и АЦП 22, с радиочастотными блоками 1, 2,…М и с модулем 30 управления антенной посредством управляющих каналов 32. Каждый радиочастотный блок 1, 2,…M в свою очередь соединен с одним первичным антенным элементом (1, 2,…N) сканирующей антенны 60. В этом варианте сгенерированный в передающей части модема информационный сигнал поступает на ЦАП 21 для формирования сигнала на видеочастоте. Этот сигнал поступает на вход блока 50 распределения передаваемого сигнала, который осуществляет выбор на основе управляющих сигналов от модуля 30 управления антенной по меньшей мере одного из радиочастотных блоков 1, 2,…М для формирования сигнала на несущей частоте. Сигнал на несущей частоте, таким образом, поступает по меньшей мере на один из первичных антенных элементов 1, 2,…N для передачи в направлениях, соответствующих данным антенным элементам. В свою очередь принятый с этих направлений сигнал на несущей частоте поступает по меньшей мере на один радиочастотный блок из 1, 2,…М, выбранный блоком 40 распределения принятого сигнала, для формирования сигнала на видеочастоте. Сигнал на видеочастоте поступает через блок АЦП 22 на вход приемной части модема 10 для демодулирования.
В данном случае каждый блок распределения содержит по меньшей мере один низкочастотный аналоговый переключатель на несколько направлений. Блок распределения принятого сигнала и блок распределения передаваемого сигнала выполнены с возможностью подачи сигнала сразу на несколько радиочастотных блоков, что позволяет использовать предложенную станцию в качестве системы радиорелейной связи типа «точка-многоточка». В рассматриваемом варианте реализации модуль управления антенной реализован в виде блока цифровой логики, генерирующего управляющие сигналы для указанных блоков распределения на основе информации, получаемой от приемника и передатчика модема по контрольным каналам. Управляющие сигналы поступают на указанные блоки распределения по управляющим каналам. На основе управляющих сигналов (например, сигналов постоянного напряжения для изменения состояния переключателя) блок распределения принятого сигнала и блок распределения передаваемого сигнала осуществляют выбор (в простейшем случае переключение) по меньшей мере одного радиочастотного блока для обработки принятых и формирования передаваемых информационных сигналов. При этом выбранные радиочастотные блоки соединены с первичными антенными элементами, возбуждение которых формирует лучи диаграммы направленности сканирующей антенны в заданных направлениях.
Генерация управляющих сигналов (и, соответственно, выбор направления лучей) модулем управления может осуществляться с использованием различных алгоритмов. В различных вариантах реализации эти алгоритмы основаны на некоторых анализируемых модемом характеристиках качества связи (таких как скорость передачи данных, тип используемой схемы модуляции и кодирования, уровень отношения сигнал-шум, величина вектора ошибки, уровень мощности принятого сигнала). С этой целью в предложенной станции РРС модуль управления соединен с приемной и передающей частями модема посредством контрольных каналов. При этом сам модуль управления наиболее предпочтительно реализован в виде блока цифровой логики.
В простейшем случае такие алгоритмы заключаются в максимизации уровня принимаемой мощности (или отношения сигнал-шум) сигнала путем перебора (полного или выборочного) положений луча сканирующей антенны. В одном из примеров такой перебор осуществляют с поддержкой обратной связи с ответной станцией РРС в системе радиосвязи типа «точка-точка». В частности, для взаимной настройки направлений лучей антенн двух РРС, алгоритм может заключаться в выполнении следующих шагов: а) передача сигнала по некоторым направлениям основного луча антенны первой РРС; б) при неизменном направлении основного луча антенны первой РРС прием сигнала по некоторым направлениям основного луча антенны второй РРС; в) выбор комбинации направлений основных лучей антенн обеих РРС, соответствующей максимуму заданного критерия (например, максимуму принимаемой мощности на второй РРС), и затем г) применение выбранных направлений основных лучей антенн к одной или двум радиорелейным станциям.
В других примерах в более сложных модификациях алгоритмы подстройки луча предусматривают анализ причин ухудшения характеристик (погодные условия, колебания опоры, возникновения препятствия и т.п.) и выбор на основе этого анализа процедуры управления сканирующей антенной для восстановления характеристик.
RF
RF
RF
а
a
a
RF
RF
RF
a
a
a
RF
RF
RF
На фиг.6 показана функциональная схема предложенной станции 150 радиорелейной связи согласно еще одному предпочтительному варианту реализации, в котором блок 45 распределения принятого сигнала и блок 55 распределения передаваемого сигнала реализованы в виде дополнительных блоков цифровой логики в модеме станции радиорелейной связи, причем в других вариантах реализации блок 45 распределения принятого сигнала и блок 55 распределения передаваемого сигнала реализованы в виде машиночитаемого носителя данных в модеме с записанным на нем соответствующим программным кодом. Аналогичные элементы станции 100 имеют одинаковые обозначения. В данном варианте реализации модем 10, содержащий приемную часть 11, включающую демодулятор 13 для обработки принятого сигнала, и передающую часть 12, включающую модулятор 14 для формирования передаваемого сигнала, соединен с блоками распределения принятого 45 и передаваемого 55 сигналов и с модулем 30 управления антенной посредством контрольных каналов 31. Блоки 45 и 55 распределения принятого и передаваемого сигналов соединены с блоками ЦАП 21 и АЦП 22 и с модулем 30 управления антенной посредством управляющих каналов 32. Каждый радиочастотный блок 1, 2,…М в свою очередь соединен с одним блоком ЦАП 21 и АЦП 22 и с одним первичным антенным элементом (1, 2,…N) сканирующей антенны 60. В этом варианте сгенерированный в передающей части 11 модема 10 информационный сигнал поступает на цифровой блок 55 распределения передаваемого сигнала и затем по меньшей мере на один цифроаналоговый преобразователь 21 для формирования сигнала на видеочастоте. Этот сигнал поступает для формирования сигнала на несущей частоте на вход по меньшей мере одного из радиочастотных блоков 1, 2,…М, выбранных блоком 55 распределения передаваемого сигнала на основе управляющих сигналов от модуля 30 управления антенной. Сигнал на несущей частоте, таким образом, поступает по меньшей мере на один из первичных антенных элементов 1, 2,…N для передачи в направлениях, соответствующих данным антенным элементам. В свою очередь принятый с этих направлений сигнал на несущей частоте поступает на по меньшей мере один радиочастотный блок из 1, 2,…М, выбранный блоком 45 распределения принятого сигнала, для формирования сигнала на видеочастоте. Сигнал на видеочастоте поступает на соответствующие блоки АЦП 22 для демодулирования в приемной части 12 модема 10.
В рассматриваемом варианте реализации модуль управления антенной реализован в виде цифрового блока, генерирующего управляющие сигналы для блоков распределения на основе информации, получаемой от приемной и передающей частей модема через контрольные каналы.
В этом варианте реализации цифровые блок распределения принятого сигнала и блок распределения передаваемого сигнала также производят выбор для обработки сигнала только одного радиочастотного блока (в РРС типа «точка-точка») или сразу нескольких радиочастотных блоков (в РРС типа «точка-многоточка»).
Кроме того, в одном из вариантов реализации между каждым радиочастотным блоком и группой антенных элементов введена высокочастотная переключающая схема. Это позволяет проводить выбор положения луча при сканировании как блоком распределения принятого сигнала и блоком распределения передаваемого сигнала, так и высокочастотной переключающей схемой. Такая РРС может быть применена для увеличения числа антенных элементов (при том же количестве радиочастотных блоков) и, как следствие, числа положений луча при сканировании. Это позволяет обеспечить компромисс между потерями сигнала на несущей частоте миллиметрового диапазона длин волн и угловым сектором сканирования.
На фиг.7 показана функциональная схема радиочастотного блока 200 согласно варианту реализации, в котором каждый радиочастотный блок 200 содержит радиочастотный передатчик 220, радиочастотный приемник 210 и диплексер 230, соединенный с радиочастотными приемником 210 и передатчиком 220 и служащий для частотного разделения принятого антенной 60 и передаваемого на антенну 60 сигналов, что обеспечивает дуплексный режим радиосвязи с частотным мультиплексированием и, соответственно, позволяет увеличить скорость передачи данных. В данном варианте на вход радиочастотного блока 200 поступает сигнал на видеочастоте. После преобразований в радиочастотном передатчике 220 формируется сигнал на несущей частоте, который, проходя через диплексер 230, поступает на общий порт радиочастотного блока 200. Принятый сигнал на несущей частоте поступает на общий порт радиочастотного блока 200 и, проходя через диплексер 230, обрабатывается в радиочастотном приемнике 210 для формирования сигнала на видеочастоте. В данном случае принятый и передаваемый сигналы имеют различные несущие частоты, и их изолирование друг от друга обеспечивается высокодобротными фильтрами 231 и разветвителем 232 диплексера 230.
На фиг.8 показана функциональная схема радиочастотного блока 250 согласно варианту реализации, в котором каждый радиочастотный блок 200 содержит радиочастотный передатчик 220, радиочастотный приемник 210 и высокочастотный переключатель 240, соединенный с радиочастотными приемником 210 и передатчиком 220 и служащий для временного разделения принятого антенной и передаваемого на антенну сигналов, что обеспечивает дуплексный режим радиосвязи с временным мультиплексированием. В данном варианте поступающий на вход радиочастотного блока 200 сигнал на видеочастоте преобразуется в радиочастотном передатчике 220 в сигнал на несущей частоте. Данный сигнал проходит на общий порт радиочастотного блока 200 через высокочастотный переключатель 240 в определенные интервалы времени, предназначенные для передачи сигнала. Принятый сигнал на несущей частоте поступает на общий порт радиочастотного блока 200 и, проходя через высокочастотный переключатель 240 в другие определенные интервалы времени, предназначенные для приема сигнала, обрабатывается в радиочастотном приемнике 210 для формирования сигнала на видеочастоте. В данном случае обработка принятого и передаваемого сигналов производится в различные интервалы времени, что обеспечивается высокочастотным переключателем 240. При этом следует отметить, что переключатель 240 содержится во всех системах РРС с временным мультиплексированием приемопередачи независимо от того, использована ли сканирующая или несканирующая антенна.
Также каждый радиочастотный блок станции радиорелейной связи может содержать радиочастотный передатчик, соединенный по меньшей мере с одним первичным антенным элементом для передачи сигнала на одной линейной поляризации, и радиочастотный приемник, соединенный по меньшей мере с одним первичным антенным элементом для приема сигнала на второй линейной поляризации, ортогональной первой линейной поляризации.
В различных вариантах реализации в качестве сканирующей антенны используются апертурные антенны различных типов, например зеркальные параболические антенны, антенны Кассегрейна, линзы Люнеберга, линзовые антенны с тонкой линзой и вынесенными антенными элементами, интегрированные линзовые антенны, в которых антенные элементы установлены непосредственно на фокальной поверхности линзы. Во всех этих случаях может использоваться решетка первичных антенных элементов для обеспечения электронного сканирования.
В одном из вариантов реализации предложенная станция радиорелейной связи обеспечивает в каждый момент времени формирование только одного основного луча диаграммы направленности для организации радиосвязи типа «точка-точка».
Еще в одном варианте реализации предложенная станция радиорелейной связи обеспечивает в каждый момент времени формирование нескольких основных лучей для организации радиосвязи типа «точка-многоточка».
Разработанная станция РРС является промышленно применимой, так как все содержащиеся в ней блоки используются в существующих РРС миллиметрового диапазона длин волн или известны из уровня техники. Так, современные станции РРС содержат радиочастотные блоки диапазонов частот от 2 до 86 ГГц с режимом частотного или временного разделения передачи. Функциональные схемы известных радиочастотных блоков аналогичны показанным на фиг.7 и 8. В данном варианте реализации модуль управления, блок распределения принятого сигнала и блок распределения передаваемого сигнала реализованы с помощью известных программно-аппаратных средств, таких как программируемые или специализированные логические интегральные схемы и коммутаторы аналогового сигнала. Различные устройства сканирующих антенн также хорошо известны, некоторые примеры рассмотрены в разделе «Уровень техники».
Предложенная станция радиорелейной связи может быть предназначена для работы в диапазоне частот 71-86 ГГц с антенной, обеспечивающей ширину диаграммы направленности по уровню половинной мощности менее 1° для каждого луча при сканировании. Также предложенная станция радиорелейной связи может быть предназначена для работы в диапазоне частот 57-66 ГГц с антенной, обеспечивающей ширину диаграммы направленности по уровню половинной мощности менее 3° для каждого луча при сканировании.
Предложенная станция в любом из рассмотренных вариантов реализации может быть использована в системах радиорелейной связи миллиметрового диапазона длин волн.