Адаптивная передающая система КВ-диапазона с фазированной решеткой на основе технологии SDR Российский патент 2024 года по МПК H04B1/00 

Настоящее изобретение относится к технике радиосвязи и может быть использовано на стационарных узлах связи и мобильных объектах для обеспечения адаптивной передачи сигналов в КВ-диапазоне.

Радиопередающие системы связи КВ-диапазона для выполнения требований по дальности и устойчивости связи должны обеспечивать максимизацию отношения сигнал/шум на входе радиоприемников взаимодействующих корреспондентов. Одним из простейших вариантов решения данной задачи является использование радиопередающих устройств большой мощности. Известны радиопередающие системы [1-3], в которых данная задача решается за счёт увеличения мощности путем сложения сигналов от усилителей мощности нескольких высокочастотных трактов в сумматорах. Повышение мощности радиопередающих систем путём усиления и сложения в одном антенно-фидерном тракте радиопередающего устройства или радиопередающей системы приводит к необходимости использования мощных усилителей, согласующих устройств, сумматоров, систем вентиляции и охлаждения для них, антенн, способных вместить большую мощность от радиопередающих устройств, и, в свою очередь, к общему увеличению массогабаритных характеристик радиопередающих систем и снижению их общей надёжности.

Использование в антенных трактах большого количества дополнительных устройств ведёт также к частичной потере мощности в переходах, фидерах, на рассеивании и нагреве отдельных элементов и на их рассогласованности. Наличие в антенно-фидерных трактах настраиваемых согласующих устройств не позволяет работать системе в режимах c псевдослучайной перестройкой частоты с требуемыми скоростями перестройки.

Кроме этого, при размещении на мобильных объектах, где передающие и приёмные антенны располагаются на малых расстояниях друг от друга, предъявляются жёсткие требования по обеспечению электромагнитной совместимости (ЭМС), особенно в части защиты чувствительных цепей приемников, а также систем управления основными средствами от мощного излучения передатчиков. В случае излучения одной антенной КВ-диапазона мощности 5-10 кВт требования по ЭМС невозможно выполнить из-за возникающих наводок в десятки киловольт.

Решение задачи максимизации отношения сигнал/шум путём использования диаграммообразующих схем в передающих системах с фазированными антенными решетками (ФАР) [4] также имеют недостатки из-за применения аналоговых делителей мощности радиопередающих устройств и управляемых фазовращателей, что неизбежно вносит потери в антенно-фидерные тракты и общий формируемый направленный излучаемый сигнал. Кроме того, реализация фазированной антенной решетки с количеством элементов, большим, чем заявлено в [4] и с большей занимаемой площадью для улучшения направленных свойств диаграммы направленности (ДН) решетки, сталкивается со значительными трудностями из-за увеличения выходов в делителе, количества фазовращателей и фидерных трактов. Большое количество фидерных трактов на разных расстояниях от передающего устройства приводит к усложнению конструкции решетки и схемы фидерного питания её элементов, а также, к возрастанию фазовых ошибок из-за разной длины фидеров при решении задачи формирования диаграммы направленности.

Задачами, на решение которых направлено заявляемое изобретение, являются:

- создание системы управления, в том числе, фазированной антенной решеткой передающей системы КВ-диапазона на основе технологии SDR;

- обеспечение возможности построения фазированных антенных решеток радиопередающих систем КВ-диапазона любой конфигурации (линейная, кольцевая, прямоугольная, звездообразная, эквидистантная, не эквидистантная, система подрешеток и т.д.) с достаточно большим количеством элементов (до сотен) и обеспечением работы в нескольких направлениях и каналах одновременно, что не должно значительно сказываться на усложнении конструкции построения ФАР и влиять на увеличение фазовых ошибок при формировании ДН;

- обеспечение возможности гибкого наращивания мощности излучённых сигналов в различных каналах и направлениях, в том числе, в случае необходимости, до максимально возможной мощности для одного канала в одном направлении или всенаправленно для различного числа корреспондентов в сети;

- увеличение вероятности доведения сообщений (отношение сигнал/шум) до корреспондентов, в том числе с учётом реального суточного изменения геофизических условий ионосферы;

- обеспечение возможности работать в режимах с псевдослучайной перестройкой частоты с любыми требуемыми скоростями перестройки;

- снижение финансовых затрат на производство и эксплуатацию радиопередающих систем КВ-диапазона;

- снижение массогабаритных характеристик радиопередающих систем КВ-диапазона и площадей, занимаемых антенными системами и ФАР;

- повышение надёжности радиопередающих систем КВ-диапазона;

- улучшение ЭМС на мобильных объектах.

Решение поставленных задач в заявляемом изобретении достигается принципиально новыми техническими решениями. Сложение мощностей усилителей мощности предлагается производить не в сумматорах, как в [1-3], а при излучении отдельными излучателями в пространстве, как это происходит в ФАР [4]. Но при этом, в заявляемом изобретении излучение высокочастотной энергии антенными элементами предлагается производить не от общего усилителя мощности с предварительным делением делителем на отдельные антенно-фидерные тракты с фазовращателями, как в [4], а установить под каждым антенным элементом ФАР свой усилитель мощности и создать, таким образом, антенно-передающие модули в качестве конечных элементов ФАР.

Формирование информационных, модуляционных и управляющих сигналов, в том числе, диаграммой направленности ФАР, в заявляемой системе предлагается производить в цифровом сигнальном процессоре по параметрам заданным модулем управления и передавать по волоконно-оптическим линиям связи (ВОЛС) на антенно-передающие модули, где производить цифро-аналоговое преобразование, формирование низкоуровневых аналоговых сигналов, усиление их усилителями и излучение антенными элементами (с установленными фазовыми сдвигами), складывая, таким образом, в пространстве высокочастотные сигналы определённой мощности и в определённых направлениях в зависимости от пространственного расположения используемых для передачи антенно-передающих модулей и сигналов фазового сдвига для каждого из этих модулей.

Такое построение позволит решить задачу использования в радиопередающей системе КВ-диапазона ФАР любой конфигурации с достаточно большим количеством элементов (до сотен) и обеспечением работы в нескольких направлениях и каналах одновременно. При этом передача сигналов формирования ДН в цифровом виде по ВОЛС до конечных элементов ФАР практически исключит наличие фазовых ошибок при формировании ДН и потерь высокочастотной энергии при передаче её по фидерным трактам. Это же позволит, при необходимости, формировать самый мощный сигнал для одного корреспондента в одном направлении или синфазно для разных корреспондентов всенаправленно.

Такие факторы, как энергонаправленность в каждом канале, возможность пространственного сложения мощностей всех антенно-передающих модулей до максимальной в одном направленном канале или всенаправленно позволяют решить задачу повышения отношения сигнал/шум на входах радиоприёмников корреспондентов.

Поскольку в заявляемом изобретении предлагается решение поставленных задач реализовать двумя основными путями - сложение мощностей от некоторого количества усилителей в пространстве и формирование информационных, модуляционных и управляющих сигналов, в том числе, диаграммой направленности ФАР передающей системы в цифровом виде, а подобной системы с обеими указанными функциями не найдено, то наиболее близкими прототипами являются:

1. В функции сложения мощностей - передающая система КВ-диапазона [2].

2. В функции формирования и управления диаграммой направленности - устройство питания элементов передающей кольцевой фазированной антенной решетки [4].

В отличие от взятых прототипов [2, 4], в предлагаемой системе КВ-диапазона формирование информационных, модуляционных и управляющих сигналов, в том числе, диаграммой направленности ФАР, осуществляемое в цифровом виде и передача их до всех антенно-передающих модулей ФАР, включающих усилители мощности, по волоконно-оптическим линиям, позволяет исключить из системы КВ-диапазона: фидерные тракты, высокочастотные коммутаторы, разветвители, делители мощности, фазовращатели, мощные усилители, мощные сумматоры, мощные согласующие устройства, системы вентиляции и охлаждения для них, направленные антенны с большой занимаемой площадью (например, типа ромбических, синфазных горизонтальных, логопериодических антенн на передающих береговых центрах и радиостанциях), антенны с большой вмещаемой мощностью на мобильных объектах. Таким образом, решаются задачи снижения финансовых затрат на производство и эксплуатацию (в том числе, значительное снижение энергопотребления) радиопередающих систем КВ-диапазона, а также снижения её массогабаритных характеристик и площадей, занимаемых на береговых объектах направленными антеннами.

Исключение большого количества различных элементов позволяет решить задачу по повышению надёжности радиопередающих систем КВ-диапазона.

Избирательная направленность излучения, снижение мощности излучения каждым антенным элементом, сложение мощностей излучения в пространстве позволяют решить задачу улучшения ЭМС на мобильных объектах, где передающие и приёмные антенны располагаются на близком расстоянии друг от друга.

Схема предлагаемой передающей системы КВ-диапазона с фазированной антенной решеткой на основе технологии SDR представлена на фиг. 1. Адаптивная передающая система представляет собой модуль управления в виде планшетного ПК 1, который по двунаправленным линиям подключен к внешней ЭВМ для дистанционного управления и информационного взаимодействия по основной и резервной сетям, на вход модуля управления 1 подключен датчик координат и курса 2, а к выходу модуля управления подключен цифровой сигнальный процессор 3, с которого сформированные информационные и управляющие цифровые сигналы поступают через оптические трансиверы 4₁-4_N на N антенно-передающих модулей 5₁-5_N, количество которых определяется размерами объекта размещения, требованиями к параметрам формирования диаграммы направленности системы и требуемой максимальной мощности излучения от складываемых в пространстве излучённых высокочастотных сигналов от антенно-передающих модулей 5₁-5_N, отличающаяся тем, что с выходов цифрового сигнального процессора 3 цифровые сигналы через оптические трансиверы 4₁-4_N по волоконно-оптическим линиям в формате по стандарту JESD204B поступают в каждый из N антенно-передающих модулей 5₁-5_N на оптические трансиверы 4₁-4_N, откуда преобразованные в цифровую форму сигналы поступают в цифро-аналоговые преобразователи 6₁-6_N, откуда сформированные высокочастотные сигналы в аналоговой форме поступают на усилители мощности 7₁-7_N и после усиления через широкополосные согласующие элементы 8₁-8_N излучаются антенными элементами 9₁-9_N, что позволяет использовать каждый из N антенно-передающих модулей 5₁-5_N, как отдельный информационно-частотный канал, так и складывать в пространстве излучённую мощность на одной частоте с одинаковым информационным сигналом любым требуемым количеством антенно-передающих модулей из общего числа N, формируя, таким образом, сигнал определённой мощности и в определённом направлении в зависимости от пространственного расположения используемых для передачи антенно-передающих модулей и фазового сдвига между сигналами для каждого из этих модулей, сформированных цифровым сигнальным процессором 3.

Предлагаемая передающая система КВ-диапазона с ФАР на основе технологии SDR функционирует следующим образом.

Модуль управления 1, выполненный в виде планшетного ПК, позволяет задавать частотные диапазоны работы, режимы модуляции, количество каналов, одновременно формируемых ДН, их форму, направления на корреспондентов и угломестное положение в зависимости от дальности до корреспондентов, как в местном, так и в дистанционном режиме (от внешней ЭВМ) по основной и резервной сетям на основе протокола сопряжения. При размещении на мобильных объектах модуль управления 1, получая исходные данные о своем местоположении от датчика координат и курса 2, позволяет формировать ДН в зависимости от направления на корреспондента.

В цифровом сигнальном процессоре 3 на основе программируемой логической интегральной схемы (ПЛИС) с помощью специального программного обеспечения (СПО) в зависимости от заданных в модуле управления 1 режимов работы выполняется:

- установка рабочих частот;

- кодирование передаваемой информации корреспондентам;

- формирование программно-определяемыми модемами модуляционных составляющих (режимы работы);

- решение задачи по формированию диаграмм направленности в направлении заданных корреспондентов с максимально возможной оптимальной мощностью и углами излучения в вертикальной плоскости в зависимости от расстояния до корреспондентов и реального суточного изменения геофизических условий ионосферы с использованием требуемого количества и положения элементов ФАР - антенно-передающих модулей 5₁-5_N.

Реальное суточное изменение геофизических условий ионосферы вычисляется как на основе долгосрочного прогноза состояния ионосферы, загруженного в СПО цифрового сигнального процессора 3 заранее, так и на основе краткосрочных прогнозов состояния ионосферы, загружаемых в СПО ежедневно из модуля управления 1 оператором или по дистанционному управлению от внешнего ПК. Таким образом, производится адаптивная обработка сигналов, которая учитывает особенности распространения радиоволн в КВ-диапазоне на основе математической модели канала. Модель канала позволяет произвести выбор оптимальной рабочей частоты, предварительную адаптацию формы и направления диаграммы направленности для достижения максимального значения сигнал/шум на входе приёмных трактов корреспондентов в зависимости от направления и дистанции до них.

Далее выработанные комплексные цифровые информационные и управляющие сигналы из цифрового сигнального процессора 3 поступают в оптические трансиверы 4₁-4_N, где происходит формирование высокоскоростных потоков по стандарту JESD204B и их преобразование в оптические сигналы с последующей передачей по волоконно-оптическим линиям до каждого антенно-передающего модуля 5₁-5_N.

В антенно-передающих модулях 5₁-5_N происходит обратное преобразование оптических сигналов в оптических трансиверах 4₁-4_N в цифровую форму, после чего сигналы поступают на ЦАП 6₁-6_N, где преобразуются в низкоуровневые высокочастотные аналоговые сигналы с соответствующими параметрами, выработанными в цифровом сигнальном процессоре 3. После этого они подаются на усилители мощности 7₁-7_N и после усиления через широкополосные согласующие элементы 8₁-8_N излучаются антенными элементами 9₁-9_N.

Излучение каждым антенным элементом происходит с определённым запаздыванием по времени, чтобы обеспечить фазовые сдвиги между возбуждением антенных элементов для формирования требуемого направления ДН ФАР. Время запаздывания излучения для каждого антенного элемента рассчитывается в цифровом сигнальном процессоре 3 по заданным в модуле управления 1 параметрам. Таким образом, фазовые сдвиги излучения формируются в цифровом виде и преобразуются в ЦАП 6₁-6_N в аналоговые сигналы с определёнными временными характеристиками, что позволяет реализовать работу ФАР без наличия аналоговых фазовращателей или линий задержки.

В качестве антенных элементов могут быть использованы малогабаритные несимметричные широкополосные вертикальные антенны [5], имеющие в своём составе пассивные широкополосные согласующие элементы, которые обеспечивают работу с радиопередающими устройствами без перестраиваемых согласующих устройств с требуемыми параметрами согласования.

Исключение использования перестраиваемых согласующих устройств и применение широкополосных антенных элементов позволяет решить задачу обеспечения возможности работать в режимах с псевдослучайной перестройкой частоты с любой требуемой скоростью перестройки.

Многоканальность предлагаемой радиопередающей системы КВ-диапазона с обеспечением направленности в каждом канале может быть реализована различными способами.

Одним из способов может быть установка нескольких усилителей, например до 4-х в каждом антенно-передающем модуле 5₁-5_N, как реализовано в [6], где на одну антенну могут независимо работать 4 усилителя мощности на разных частотах. В то же время, мощности 4-х усилителей могут складываться в блоке сложения и работать одним каналом излучения. ФАР из таких антенно-передающих модулей можно реализовать в виде плоской эвидистантной прямоугольной, квадратной или кольцевой формы. При этом она будет способна обеспечить формирование до четырёх частотно-информационных независимых каналов за счёт наличия 4-х усилителей мощности под каждой антенной с узкими диаграммами направленности в любых из направлений на 360° в горизонтальной (азимутальной) плоскости и в различных угломестных направлениях (в вертикальной плоскости). Формирование каждой ДН ФАР из 4-х возможных каналов происходит по известным принципам и законам формирования ДН плоских ФАР [7]. При использовании 32 антенных элементов в прямоугольной ФАР (8х4) возможно получить достаточно хорошие характеристики по направленности и энергетике, даже если каждый из 32 элементов будет излучать мощность по 100 Вт в одном канале. Общая энергетика по мощности одного канала составит 3200 Вт без учёта направленности и потерь на излучение боковых лепестков. Прямоугольная ФАР, например, из 32 антенно-передающих модулей (8х4) с расстоянием между ними 10 м будет занимать площадь 80х40=3200 м².

Другим способом обеспечения многоканальности в различных направлениях может быть построение на стационарных береговых объектах связи передающих ФАР из секторно расположенных линейных подрешеток. ФАР с требованием работы во всех направлениях может состоять, например, из 24 секторных линейных подрешёток по 8 антенно-передающих модулей каждая с расстояниями между ними 10 м и расположенных радиально от центра, где будет находиться здание с системой управления и питания ФАР. Каждая линейная подрешётка будет работать вдоль осевого направления с постоянной азимутальной составляющей ϕ=90°, как показано на фиг. 2. В этом случае sinϕ=1 и положение ДН подрешётки будет изменяться только в угломестном направлении θ, которое будет управляться сдвигом по фазе между возбуждением элементов подрешётки ψ=kdsinθ, где k=2π/λ - коэффициент фазы электромагнитной волны в свободном пространстве; λ - длина волны; d - расстояние между антенными элементами подрешётки [7]. На фиг. 3 показана нормированная амплитудная диаграмма направленности линейной подрешётки из 8-ми элементов (фиг. 2) в горизонтальной плоскости F(ϕ), формируемая при ψ=kd (ϕ=90°; θ=90°).

Линейная подрешётка в режиме излучения вдоль осевого направления имеет максимальный коэффициент направленного действия [7], как и по сравнению с плоскими кольцевыми или прямоугольными решётками, что позволяет значительно повысить энергонаправленность в каждом выделенном направлении ФАР, состоящей из множества радиальных линейных подрешёток.

При такой структуре ФАР достигается возможность работы в 24 направлениях на разных частотах, в разных режимах работы, с разными информационными данными и с корреспондентами на различных расстояниях, что будет обеспечиваться изменением угломестного положения ДН каждой подрешётки ФАР и выбором частоты в зависимости от геофизических условий ионосферы.

Площадь такой решётки может составить не более 31415 м² в окружности или 40000 м² на квадратной площади, обеспечивая возможность одновременной работы в 24-х независимых направлениях. Для сравнения площадь двойной ромбической антенны РГД составляет 140х160=22400 м² и она может обеспечить работу только в одном направлении.

Проведенный анализ уровня техники позволил установить, что аналоги, характеризующиеся совокупностью признаков, тождественных всем признакам заявленного технического решения, отсутствуют в известных источниках информации, что указывает на соответствие заявленного способа условию патентоспособности «новизна».

Литература

1. HF Transmit/Receive Broadband System R&S® XB 2900 Data Sheet PD 0758.2825.32 Version 02.01 July 2005.

2. Патент № 117727, РФ, МПК H04Q3/00. Передающая система КВ-диапазона / А.В. Богданов, Ю.А. Попов, А.В. Кирякин, А.В. Суровцев, - ОАО «ОНИИП», Опубл. 27.06.2012, Бюл. № 18.

3. Патент № 2475958, РФ, МПК H04B 7/00, H04B 15/02. Автоматизированная приемо-передающая система коротковолновой связи / И.В. Дулькейт, Б.Г. Шадрин, В.С. Будяк, А.А. Ворфоломеев - ОАО «ОНИИП», Опубл. 20.02.2013, Бюл. № 5.

4. Патент № 2315400, РФ, МПК H01Q 3/26, H01Q25/00. Способ питания элементов передающей кольцевой фазированной антенной решетки и устройство для его реализации / М.В. Горковенко, В.М. Жуков, А.Б. Беседин, А.Ф. Харин, В.М. Нестеров - НИИ ТВВАИУ РЭ (ВИ), Опубл. 20.01.2008, Бюл. № 2.

5. Патент № 2316855, РФ, МПК H01Q9/30. Малогабаритная антенна. / Ахмедов В.Б., Березкин Б.И., Витютин А.В., Воронов С.А., Елисеев В.Н., Катанович А.А., Еркин А.Ю., Любимов В.С., Малышев Н.А., Хаджиогло Е.А. - ФГУП «НИИ «Нептун», Опубл. 10.02.2008, Бюл. № 4.

6. Патент № 2779148, РФ, МПК H04QB7/02. Высокоскоростная многоканальная система передачи данных КВ-диапазона. / Дикушин П.А., Минин Д.А., Помазунов С.А., Скачков М.А., Химичев А.В., Чистяков К.В. - АО «НИИ «Нептун», Опубл. 05.09.2022, Бюл. № 25.

7. Кочержевский Г.Н., Ерохин Г.А., Козырев Н.Д., Чернов О.В. Антенно-фидерные устройства и распространение радиоволн. / 3-е изд. - М.: Горячая линия - Телеком, 2007. С 78-81, 103-109.

Настоящее изобретение относится к технике радиосвязи. Техническим результатом является обеспечение адаптивной передачи сигналов в КВ-диапазоне. Упомянутый технический результат достигается тем, что в передающей системе с фазированной антенной решеткой (ФАР) на основе технологии программно-определяемого радио (Software Defined Radio, SDR) производят излучение высокочастотной энергии антенно-передающими модулями, в которые включены усилители мощности; формирование информационных, модуляционных и управляющих сигналов, в том числе диаграммой направленности ФАР, производится в цифровом сигнальном процессоре по параметрам, заданным модулем управления и передается по волоконно-оптическим линиям на антенно-передающие модули, где производится цифроаналоговое преобразование, усиление усилителями и излучение антенными элементами с установленными фазовыми сдвигами высокочастотных сигналов со сложением их в пространстве в заданных направлениях. 3 ил.

Адаптивная передающая система КВ-диапазона с фазированной антенной решеткой на основе технологии программно-определяемого радио (Software Defined Radio, SDR), содержащая модуль управления в виде планшетного ПК, который по двунаправленным линиям подключен к внешней ЭВМ, на вход модуля управления подключен датчик координат и курса, а к выходу модуля управления подключен цифровой сигнальный процессор, отличающаяся тем, что выходы цифрового сигнального процессора соединены с оптическими трансиверами, соединенными волоконно-оптическими линиями связи с N антенно-передающими модулями, причём каждый из N антенно-передающих модулей представляет собой отдельный информационно-частотный канал и содержит последовательно соединённые оптический трансивер антенно-передающего модуля, цифроаналоговый преобразователь, усилитель мощности, широкополосный согласующий элемент и антенный элемент; причём цифровой сигнальный процессор содержит программируемую логическую интегральную схему (ПЛИС) с программным обеспечением и выполнен с возможностью адаптивной обработки сигналов для формирования информационных, модуляционных и управляющих сигналов, в том числе диаграммой направленности антенных элементов, по параметрам, заданным модулем управления, и передачи их на все N антенно-передающие модули, а также формирования фазовых сдвигов между возбуждением антенных элементов, при этом каждый антенный элемент является широкополосным и выполнен с возможностью излучения с заданным фазовым сдвигом между возбуждением антенных элементов для формирования требуемого направления диаграммы направленности.