УСТРОЙСТВО ДЛЯ ПОЛУЧЕНИЯ ПЕРЕКЛЮЧАЕМОЙ ПОЛЯРИЗАЦИИ СИГНАЛА Российский патент 2013 года по МПК H01Q21/24 H04W40/06 

ОБЛАСТЬ ТЕХНИКИ, К КОТОРОЙ ОТНОСИТСЯ ИЗОБРЕТЕНИЕ

Изобретение относится к радиотехнике и может быть использовано на базовых станциях (БС) сети сотовой радиосвязи для обеспечения излучения сигнала с переключаемой поляризацией, а именно возможностью установки линейной вертикальной поляризации, линейной горизонтальной поляризации или круговой поляризации правого или левого вращения, при использовании штатных антенн базовых станций с кросс-поляризацией, то есть двойной +45° и -45° наклонной поляризацией.

УРОВЕНЬ ТЕХНИКИ

В настоящее время на базовых станциях сотовой радиосвязи для обеспечения разнесённого приёма широко используются антенны с кросс-поляризацией, то есть двойной +45° и -45° наклонной поляризацией.

Антенны с кросс-поляризацией представляют собой, в отличие от антенн с вертикальной поляризацией со строго вертикальным расположением излучателей, совокупность излучателей, симметрично расположенных вдоль вертикальной оси антенны и наклоненных к ней под углом +45° и -45°. Симметричное расположение систем излучателей относительно оси антенны гарантирует симметричность и идентичность ДН в горизонтальной плоскости. Очень важно, что векторы электрического поля, излучаемого ДН антенн с двойной +45° и -45° наклонной поляризацией, ортогональны друг другу, а требуемая поляризационная развязка между двумя антеннами и коэффициент кросс-поляризации сохраняются в заданном секторе азимутальных углов и обеспечивают условия для эффективного разнесенного приема.

В области антенной техники известны устройства [1, 2], представляющие собой систему наклоненных относительно вертикальной оси Z прямоугольной системы координат XYZ на углы +45° и -45° излучателей, которые могут быть использованы для создания двухканальных слабонаправленных антенн, используемых в качестве элементов линейной фазированной антенной решетки, то есть типовой двухканальной секторной антенны базовой станции сети сотовой радиосвязи с такой же поляризационной характеристикой. При этом обеспечивается формирование диаграммы направленности двухканальной антенны с взаимно ортогональной поляризацией поля излучения (+45° и -45°) в каналах и перекрытие по уровню 3 дБ в горизонтальной плоскости сектора формирования диаграммы направленности шириной около 90° и около 65° соответственно для устройств, описанных в [1] и [2]. Сущность изобретения, описанного в [1]: антенна состоит из двух крестообразно расположенных симметричных вибраторов, размещенных над металлическим экраном, установленных параллельно плоскому экрану на высоте не более половины заданной длины волны рабочего диапазона частот, от него в виде плоского крестообразного проводника, состоящего из четырех одинаковых и расположенных ортогонально друг к другу четвертьволновых плеч. Техническим результатом является обеспечение формирования диаграммы направленности двухканальной антенны с взаимно ортогональной поляризацией поля излучения в каналах, перекрывающей по уровню 3 дБ сектор шириной в горизонтальной плоскости около 90°. Изобретение, описанное в [2], отличается главным образом от изобретения, описанного в [1], тем, что вместо двух крестообразно расположенных симметричных вибраторов используется ромбовидное расположение вибраторов, что приводит к расширению апертуры и, как следствие, к сужению диаграммы направленности антенны в горизонтальной плоскости до ширины около 65° по уровню 3 дБ.

Применение антенн таких типов приводит к тому, что вектор поляризации излучаемого антенной сигнала имеет наклон +45° или -45°. В случае, когда частотный диапазон выделяется для функционирования РЭС сети сотовой радиосвязи на вторичной основе, БС сети могут создавать непреднамеренные радиопомехи недопустимого уровня радиоэлектронным средствам, работающим в данном диапазоне частот на первичной основе. Так, например, БС стандарта GSM, ГМТ-2000/UMTS, LTE и др., функционирующие в диапазоне 900 МГц, могут создавать непреднамеренные помехи недопустимого уровня РЭС воздушной радионавигации и посадки, использующим антенны с горизонтальной поляризацией. При этом поляризационная развязка между сигналом, излучаемым БС, укомплектованными штатными антеннами с кросс-поляризацией и приемной антенной РЭС воздушной радионавигации и посадки, составляет около 3 дБ. Это приводит либо к ограничению максимально допустимой мощности передатчиков таких БС, либо для достижения максимальной поляризационной развязки вынуждает операторов сетей сотовой радиосвязи применять усложненные антенные системы с линейной вертикальной поляризацией излучаемого сигнала и пространственным разнесением приемных антенн.

Описанные выше проблемы электромагнитной совместимости, касающиеся также и других диапазонов частот, в которых функционируют РЭС сотовой связи, могут возникнуть также применительно к РЭС рецептора помех, имеющих не только горизонтальную, но также вертикальную и круговую поляризацию как правого, так и левого вращения.

Также в случае применения антенн с кросс-поляризацией существует проблема, связанная с излучением сигнала передатчика БС с линейной +45° или -45° наклонной поляризацией, а именно проявляющейся в том, что установленная на абонентском терминале ненаправленная линейно поляризованная антенна имеет ослабление принимаемого сигнала БС за счет поляризационной развязки, которое статистически составляет более 5 дБ для 38% возможных положений абонентского терминала, более 10 дБ для 21% и более 15 дБ для 12%. Данная проблема может быть решена за счет использования на БС сотовой связи круговой поляризации на передачу и сохранения двойной +45° и -45° наклонной поляризации на прием.

Наиболее близким для заявленного технического решения является устройство для формирования поляризации радиосигналов приемопередатчиков [3].

К недостаткам такого устройства, в первую очередь, относятся большие потери на передачу (заявленное значение составляет ~3.6 дБ), обусловленные использованием гибридного моста, имеющего потери более 3 дБ.

Следует отметить, что в настоящее время на базовых станциях сотовой радиосвязи наиболее часто используется приемопередающее оборудование, в том числе устанавливаемые в непосредственной близости от антенн БС внешние приемопередающие радиомодули, в котором сигнал передатчика подается только на одно из плеч антенны с кросс-поляризацией, а сигнал приемника снимается также с обоих плеч. То есть в данной конфигурации приемопередающим является только один из выходов базовой станции, а второй является только приемным.

При этом известное устройство для формирования поляризации радиосигналов приемопередатчиков даже в конфигурации одного приемопередающего выхода вносит затухание по тракту передачи более 3 дБ.

Техническим результатом, на достижение которого направлено предлагаемое изобретение, является создание устройства, которое позволяет при использовании применяемых на базовых станциях сети радиосвязи штатных антенн, в том числе и многодиапазонных, с кросс-поляризацией, то есть двойной +45° и -45° наклонной поляризацией, получить переключаемую поляризацию излучения сигнала, а именно либо линейную вертикальную поляризацию, либо линейную горизонтальную поляризацию, либо круговую поляризацию правого или левого вращения, и сохранить двойную +45° и -45° наклонную поляризацию на прием. Устройства, подключаемого непосредственно к антенне базовой станции посредством фазированных радиочастотных соединительных кабелей, позволяющего уменьшить потери на передачу, которое было бы эргономичным, не сложным в эксплуатации, экономичным.

РАСКРЫТИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

В основу настоящего изобретения поставлена задача создания устройства для получения переключаемой поляризации сигнала, которое за счет адаптации к современному принципу построения приемопередающего радиотракта базовых станций сети сотовой радиосвязи позволяет уменьшить потери на передачу, обеспечить возможность формирования произвольного типа поляризации на излучение и сохранить кросс-поляризацию на прием, и, таким образом, повысить технико-эксплуатационные и функциональные характеристики.

Технический результат достигается тем, что предложено устройство для получения переключаемой поляризации излучаемого сигнала, подключаемое непосредственно к антенне базовой станции фазированными радиочастотными соединительными кабелями, отличающееся тем, что содержит синфазный равноамплитудный делитель мощности, два переключаемых фазовращателя, имеющих фиксированные значения вносимых фазовых набегов, равные 0°, 90° и 180°, и три идентичных Y-циркулятора прямого направления, в которых минимальное ослабление радиочастотного сигнала соответствует направлению от первого входа ко второму, от второго к третьему и от третьего к первому, а максимальное вносимое затухание соответствует обратному направлению, при этом указанные компоненты скоммутированы между собой радиочастотными линиями передачи таким образом, что входом устройства для получения переключаемой поляризации сигнала, подключаемым к приемопередающему выходу базовой станции, является первый выход второго Y-циркулятора, второй выход которого подключен к входу синфазного равноамплитудного делителя, выходы которого подключены через переключаемые фазовращатели к первым входам первого и третьего Y-циркуляторов, вторые выходы которых являются выходами устройства для получения переключаемой поляризации сигнала, подключаемыми к ортогональным входам антенны с кросс-поляризацией, то есть двойной +45° и -45° наклонной поляризацией.

Возможны дополнительные варианты выполнения устройства, в которых:

- возможно применение Y-циркуляторов инверсного направления;

- возможно применение компонентов устройства, а именно Y-циркуляторов, делителя и фазовращателей с расширенной рабочей полосой для реализации устройства, применимого для нескольких частотных диапазонов одновременно.

На Фиг.1 представлена функциональная схема устройства для получения переключаемой поляризации сигнала.

На Фиг.2 представлена схема включения устройства для получения переключаемой поляризации сигнала в радиочастотный тракт базовой станции сотовой радиосвязи.

Предлагаемое устройство для получения переключаемой поляризации сигнала 16 подключается фидерами 17 и 18 к приемопередающему 19 и приемному 20 входам приемопередающего радиоблока сектора базовой станции 21 через выходы 3 и 4 соответственно (фиг.2), и фазированными радиочастотными соединительными кабелями 14 и 15 к ортогональным входам антенны с двойной +45° и -45° наклонной поляризацией 11 через входы 1 и 2.

Предлагаемое устройство для получения переключаемой поляризации сигнала (фиг. 1) включает в себя: синфазный равноамплитудный делитель мощности 10, два переключаемых фазовращателя 8 и 9, имеющих фиксированные значения вносимых фазовых набегов, равные 0°, 90° и 180°, и три идентичных Y-циркулятора 5, 6 и 7 прямого направления, соединенных между собой радиочастотными линиями передачи таким образом, что принимаемый сигнал с выхода антенны с +45° наклонной поляризацией поступает на вход 1, после чего, проходя первый Y-циркулятор 5 с минимальными потерями, поступает на третий вход (ВЗ) второго Y-циркулятора 6, проходя который с минимальными потерями, поступает на выход 3, подключаемый к приемопередающему выходу 19 фидером 17, при этом принимаемый сигнал с выхода антенны с -45° наклонной поляризацией поступает на вход 2, после чего, проходя с минимальными потерями третий Y-циркулятор 7, поступает на выход 4, подключаемый к приемному входу 20 фидером 18. Таким образом, цепи прохождения сигналов, принимаемых ортогональными наклонными поляризациями антенны базовой станции 11, не пересекаются и не перекрываются, чем сохраняется двойная +45° и -45° наклонная поляризация принимаемого сигнала и обеспечивается эффективность разнесенного приема. Сигнал передатчика базовой станции с приемопередающего выхода 19, поступающий по фидеру 17 на вход 3, проходя с минимальными потерями второй Y-циркулятор 6, поступает на делитель мощности 10, с выходов которого синфазные и равноамплитудные доли сигнала через переключаемые фазовращатели 8 и 9 поступают на первые входы (А1 и С1) первого и третьего Y-циркуляторов 5 и 7 соответственно, проходя которые с минимальными потерями, поступают на выходы 1 и 2, подключаемые к ортогональным входам антенны 11 с двойной +45° и -45° наклонной поляризацией. Таким образом, при равноамплитудном и синфазном возбуждении ортогональных вибраторов 12 и 13 антенны с кросс-поляризацией, то есть двойной +45° и -45° наклонной поляризацией, излучаемый сигнал будет иметь суммарный вертикальный вектор поляризации, при установке с помощью переключаемых фазовращателей 8 и 9 разности фаз, равной -90° и +90°, суммарный излучаемый сигнал будет иметь левую круговую и правую круговую поляризацию соответственно, а при установке с помощью переключаемых фазовращателей 8 и 9 разности фаз, равной +180°, суммарный излучаемый сигнал будет иметь горизонтальную поляризацию.

КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ

На Фигуре 1 представлена функциональная схема устройства для получения переключаемой поляризации сигнала.

На Фигуре 2 представлена схема включения устройства для получения переключаемой поляризации сигнала в радиочастотный тракт базовой станции сотовой радиосвязи.

ОСУЩЕСТВЛЕНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

Устройство для получения переключаемой поляризации сигнала на базе штатной антенной системы базовой станции с кросс-поляризацией, представленное на Фиг. 1, подключается к приемопередающему выходу 19 через вход 3 фидером 17, к приемному входу 20 через вход 4 фидером 18 и фазированными радиочастотными соединительными кабелями 14 и 15 к штатной антенне базовой станции 11 с двойной +45° и -45° наклонной поляризацией через выходы 1 и 2, и включает в себя: синфазный равноамплитудной делитель мощности 10, два переключаемых фазовращателя 8 и 9, имеющих фиксированные значения вносимых фазовых набегов, равные 0°, 90° и 180°, и три идентичных Y-циркулятора 5, 6 и 7 прямого направления, в которых минимальное ослабление радиочастотного сигнала соответствует направлению от первого входа ко второму (от А1 к А2, от В1 к В2, от С1 к С2), от второго к третьему (от А2 к A3, от В2 к В3, от С2 к С3) и от третьего к первому (от A3 к А1, от В3 к В1, от С3 к C1), a максимальное вносимое затухание соответствует обратному направлению. Схема включения устройства для получения переключаемой поляризации представлена на Фиг. 2. Принимаемый сигнал с выхода антенны с +45° наклонной поляризацией поступает на вход 1, после чего, проходя первый Y-циркулятор 5 с минимальными потерями, поступает на третий вход (ВЗ) второго Y-циркулятора 6, проходя который с минимальными потерями, поступает на выход 3, подключаемый к приемопередающему выходу 19 приемопередающего радиоблока сектора базовой станции 21 фидером 17, при этом принимаемый сигнал с выхода антенны с -45° наклонной поляризацией поступает на вход 2, после чего, проходя с минимальными потерями третий Y-циркулятор 7, поступает на выход 4, подключаемый фидером 18 к приемному входу 20 приемопередающего радиоблока сектора базовой станции 21, таким образом, цепи прохождения сигналов, принимаемых ортогональными наклонными поляризациями антенны базовой станции, не пересекаются и не перекрываются, чем сохраняется двойная +45° и -45° наклонная поляризация принимаемого сигнала и обеспечивается эффективность разнесенного приема. Сигнал передатчика базовой станции, поступающий с приемопередающего выхода 19 приемопередающего радиоблока сектора базовой станции 21 по фидеру 17 на вход 3, проходя с минимальными потерями второй Y-циркулятор 6, поступает на делитель мощности 10, с выходов которого синфазные и равноамплитудные доли сигнала через переключаемые фазовращатели 8 и 9 поступают на первые входы (А1 и С1) первого и третьего Y-циркуляторов 5 и 7 соответственно, проходя которые с минимальными потерями, поступают на выходы 1 и 2, подключаемые к ортогональным входам антенны с двойной +45° и -45° наклонной поляризацией 11. Таким образом, при равноамплитудном и синфазном возбуждении ортогональных вибраторов 12 и 13 антенны с кросс-поляризацией, то есть двойной +45° и -45° наклонной поляризацией, излучаемый сигнал будет иметь суммарный вертикальный вектор поляризации, при установке с помощью переключаемых фазовращателей 8 и 9 разности фаз, равной -90° и +90°, суммарный излучаемый сигнал будет иметь левую круговую и правую круговую поляризацию соответственно, а при установке с помощью переключаемых фазовращателей 8 и 9 разности фаз, равной +180°, суммарный излучаемый сигнал будет иметь горизонтальную поляризацию.

Таким образом, достигнут желаемый технический результат, то есть предложено устройство, позволяющее получить переключаемую поляризацию излучаемого сигнала на базе штатной антенны 11 базовой станции с кросс-поляризацией, то есть двойной +45° и -45° наклонной поляризацией, а также сохранить двойную +45° и -45° наклонную поляризацию на прием и обеспечить эффективность разнесенного приема.

При этом за счет отсутствия необходимости рассеивания половины мощности излучаемого сигнала в согласованной нагрузке в предлагаемом устройстве обеспечивается ослабление сигнала передатчика существенно меньше, чем у ближайшего аналога. Так, суммарные потери сигнала передатчика в ближайшем аналоге составляют ~3,6 дБ. Как показали испытания макета заявленного устройства, потери сигнала передатчика составляют ~0,6 дБ. Суммарные потери оценивались как отношение суммы мощностей радиосигналов на входах кросс-поляризованной антенны к мощности передатчика, подаваемой с приемопередающего выхода базовой станции. Потери сигнала приемника в заявленном устройстве по обоим трактам составляют ~0,6 дБ.

Использование для разделения приемного и передающего сигналов базовой станции Y-циркулятора, электрические параметры которого сохраняются во всей рабочей полосе частот, обеспечивает функциональность предлагаемого устройства для получения переключаемой поляризации сигнала даже для стандартов связи с единой полосой частот для приемника и передатчика, то есть с временным дуплексом. Также в случае использования элементов предлагаемого устройства, а именно Y-циркуляторов, делителя и фазовращателей, с расширенной рабочей полосой частот возможна реализация устройства для получения переключаемой поляризации сигнала, применимая одновременно для нескольких частотных диапазонов. Устройство является эргономичным, промышленно применимым, удобным в эксплуатации, не требует значительных материальных затрат и может быть использовано многократно.

ПРОМЫШЛЕННАЯ ПРИМЕНИМОСТЬ

Изобретение относится к радиотехнике и может быть использовано на базовых станциях сотовой радиосвязи. Например, на БС стандартов GSM, IMT-2000/UMTS, LTE и др. для возможности получения максимальной поляризационной развязки и обеспечения условий ЭМС, либо для улучшения качества связи, при использовании штатных, в том числе и многодиапазонных, антенн базовых станций с кросс-поляризацией, то есть двойной +45° и -45° наклонной поляризацией, предлагаемое устройство позволяет получить на передачу либо линейную вертикальную поляризацию, либо линейную горизонтальную поляризацию, либо круговую поляризацию правого или левого вращения, и сохранить двойную +45° и -45° наклонную поляризацию принимаемого сигнала. Устройство является эргономичным, промышленно применимым, удобным в эксплуатации, не требует значительных материальных затрат и может быть использовано многократно.

ИСТОЧНИКИ ИНФОРМАЦИИ

1. (РСТ/ЕР98/03129) ANTENNA SYSTEM, Публ. 30.05.97.

2. (WO/2002/050945) ANTENNA, IN PARTICULAR MOBILE RADIO ANTENNA, Публ. 27.06.2002.

3. (RU 2296398 C1) УСТРОЙСТВО ДЛЯ ФОРМИРОВАНИЯ ПОЛЯРИЗАЦИИ РАДИОСИГНАЛОВ ПРИЕМОПЕРЕДАТЧИКОВ, Публ. 27.03.2007.

Изобретение относится к радиотехнике и может быть использовано на базовых станциях сети сотовой радиосвязи для обеспечения излучения сигнала с переключаемой поляризацией, а именно: возможностью установки линейной вертикальной поляризации, линейной горизонтальной поляризации или круговой поляризации правого или левого вращения, при использовании штатных антенн базовых станций с кросс-поляризацией, то есть двойной +45° и -45° наклонной поляризацией. Достигаемый технический результат - создание устройства, позволяющего при использовании применяемых на базовых станциях сети радиосвязи штатных антенн, в том числе и многодиапазонных, с кросс-поляризацией, то есть двойной +45° и -45° наклонной поляризацией, получить переключаемую поляризацию излучаемого сигнала. Устройство содержит синфазный равноамплитудный делитель мощности, два переключаемых фазовращателя, имеющих фиксированные значения вносимых фазовых набегов, равные 0°, 90° и 180°, и три идентичных Y-циркулятора. 2 ил.

Устройство для получения переключаемой поляризации сигнала, подключаемое к приемопередающему и приемному фидерам сектора базовой станции и фазированными радиочастотными соединительными кабелями к штатной антенне сектора базовой станции сети сотовой радиосвязи с кросс поляризацией, то есть двойной +45° и -45° наклонной поляризацией, отличающееся тем, что включает в себя синфазный равноамплитудный делитель мощности, два переключаемых фазовращателя, имеющих фиксированные значения вносимых фазовых набегов, равные 0°, 90° и 180°, и три идентичных Y-циркулятора, в которых минимальное ослабление радиочастотного сигнала соответствует направлению от первого входа ко второму, от второго к третьему и от третьего к первому, а максимальное вносимое затухание соответствует обратному направлению, при этом указанные компоненты скоммутированы между собой радиочастотными линиями передачи таким образом, что входом устройства для получения переключаемой поляризации сигнала, подключаемым к приемопередающему фидеру сектора базовой станции, является первый выход второго Y-циркулятора, второй выход которого подключен к входу синфазного равноамплитудного делителя, выходы которого подключены через переключаемые фазовращатели к первым входам первого и третьего Y-циркуляторов, вторые выходы которых являются выходами устройства для получения переключаемой поляризации сигнала, подключаемыми к ортогональным входам антенны с кросс поляризацией, то есть двойной +45° и -45° наклонной поляризацией, а именно: фазированными радиочастотными соединительными кабелями к штатной антенне базовой станции с двойной +45° и -45° наклонной поляризацией, при этом третьи выходы первого и второго Y-циркуляторов соединены между собой, а третий выход третьего Y-циркулятора является выходом устройства для получения переключаемой поляризации сигнала, подключаемым к приемному фидеру сектора базовой станции, что обеспечивает равноамплитудное деление сигнала передатчика базовой станции, равные доли которого с минимальным ослаблением поступают на выходы устройства, подключаемые фазированными радиочастотными соединительными кабелями на входы антенны с двойной +45° и -45° наклонной поляризацией, что при установке с помощью переключаемых фазовращателей синфазного возбуждения ортогональных вибраторов антенны с двойной +45° и -45° наклонной поляризацией дает суммарный вертикальный вектор поляризации излучаемого сигнала, при установке с помощью переключаемых фазовращателей разности фаз, равной -90° и +90°, дает левую круговую и правую круговую поляризацию излучаемого сигнала соответственно, а при установке с помощью переключаемых фазовращателей разности фаз, равной +180°, дает горизонтальную поляризацию излучаемого сигнала, при этом также обеспечивается исключение путей пересечения цепей прохождения сигналов, принимаемых ортогональными наклонными поляризациями антенны базовой станции, чем сохраняется двойная +45° и -45° наклонная поляризация принимаемого сигнала и обеспечивается эффективность разнесенного приема.