ТИПИЗИРОВАННЫЙ НАБОР ПРОГРАММНО-ТЕХНИЧЕСКИХ КОМПОНЕНТОВ ДЛЯ РАЗРАБОТКИ И ИЗГОТОВЛЕНИЯ ЭЛЕКТРОННЫХ УСТРОЙСТВ, ПРЕДНАЗНАЧЕННЫХ ДЛЯ ПРИЕМА РАДИОСИГНАЛОВ И ВТОРИЧНОГО ПЕРЕИЗЛУЧЕНИЯ Российский патент 2024 года по МПК H04W88/00 

ОБЛАСТЬ ТЕХНИКИ

Настоящее техническое решение относится к области радиоэлектронной техники, в частности, к устройствам для осуществления приема сигнала со стороны базовой станции и повторного излучения сигнала в сторону абонента.

УРОВЕНЬ ТЕХНИКИ

Из уровня техники известно решение, выбранное в качестве наиболее близкого аналога, US 2019103665 (A1), опубл. 04.04.2019. В данном решении описывается система, которая может включать в себя первую антенну, содержащую первую полость, первое множество РЧ-портов для формирования возбуждающей волны внутри первой полости и первое множество субволновых искусственно структурированных элементов материала, расположенных на поверхности первой полости. Первая антенна сконфигурирована для формирования множества диаграмм направленности, соответствующих первому множеству портов. Система может также включать в себя вторую антенну, содержащую вторую полость и второе множество субволновых искусственно структурированных элементов материала, расположенных на поверхности второй полости. Таким образом, вышеуказанный аналог характеризует принцип работы для MIMO-антенны.

Предлагаемое техническое решение, в свою очередь, направлено на устранение недостатков современного уровня техники и отличается от известных решений тем, что предложенное изобретение позволяет формировать многолучевое решение в антенной части и может быть использовано без технологии MIMO. Предложенное решение обеспечивает качественный и эффективный прием сигнала со стороны базовой станции и повторное излучение сигнала в сторону абонента.

СУЩНОСТЬ ИЗОБРЕТЕНИЯ

Технической проблемой, на решение которой направлено заявленное решение, является создание устройства для осуществления приема сигнала со стороны базовой станции и повторного излучения сигнала в сторону абонента. Дополнительные варианты реализации настоящего изобретения представлены в зависимых пунктах изобретения.

Технический результат заключается в улучшении качества беспроводного покрытия, формируемого базовой станцией (или другим источником), и как следствие увеличении дальности действия базовой станции и качества покрытия.

Заявленный результат достигается за счет реализации устройства для осуществления приема сигнала со стороны базовой станции и повторного излучения сигнала в сторону абонента, выполненного в виде радиоэлектронного блока и содержащего: высокочастотный блок, выполненный в виде активного тракта сверхвысоких частот, реализованный с возможностью усиления сигнала; по меньшей мере две плоских метаповерхности, определяющих параметры диаграммы направленности антенной системы, при этом метаповерхности выполнены в виде плоских панелей, состоящих из, по меньшей мере, одного слоя диэлектрика и слоя из проводящих патч-элементов, причем первая из двух антенных систем выполняет роль донорного устройства, формирующего диаграмму направленности, нацеленную на источник сигнала, а вторая из двух антенных систем выполняет роль сервисного блока, формирующая диаграмму направленности, направленную в сторону расположения абонентов, причем устройство выполнено с возможностью приема сигнала со стороны абонентов и повторного излучения сигнала в сторону базовой станции.

В частном варианте реализации описываемого устройства, высокочастотный блок, реализованный в виде активного тракта сверхвысоких частот, выполнен с возможностью: фильтрации, ослабления, переноса частоты.

В частном варианте реализации описываемого устройства, метаповерхность формирует антенну, осуществляющую направленный прием и излучение сигнала из одного или нескольких фидеров в виде коаксиального кабеля.

В частном варианте реализации описываемого устройства, метаповерхность формирует линзу, осуществляющую фокусировку сигнала, при работе на прием и передачу, на массив облучателей в виде слабонаправленных антенных элементов, например патч-элементов.

В частном варианте реализации описываемого устройства, высокочастотный блок содержит облучатель или массив облучателей.

В частном варианте реализации описываемого устройства, массив облучателей содержит схему ортогонализации диаграммы направленности в виде дополнительного элемента - диаграммообразующей схемы (ДОС).

ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ

Реализация изобретения будет описана в дальнейшем в соответствии с прилагаемыми чертежами, которые представлены для пояснения сути изобретения и никоим образом не ограничивают область изобретения. К заявке прилагаются следующие чертежи:

Фиг. 1, иллюстрирует схему работы ретранслятора и структуру диаграммообразующего устройства.

Фиг. 2, иллюстрирует возможные варианты компоновки ретранслятора в зависимости от назначения и области применения конечного устройства.

ДЕТАЛЬНОЕ ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

В приведенном ниже подробном описании реализации изобретения приведены многочисленные детали реализации, призванные обеспечить отчетливое понимание настоящего изобретения. Однако, квалифицированному в предметной области специалисту, будет очевидно каким образом можно использовать настоящее изобретение, как с данными деталями реализации, так и без них. В других случаях хорошо известные методы, процедуры и компоненты не были описаны подробно, чтобы не затруднять излишне понимание особенностей настоящего изобретения.

Кроме того, из приведенного изложения будет ясно, что изобретение не ограничивается приведенной реализацией. Многочисленные возможные модификации, изменения, вариации и замены, сохраняющие суть и форму настоящего изобретения, будут очевидными для квалифицированных в предметной области специалистов.

Предлагаемое изобретение относится к радиотехническим устройствам, ретрансляторам, к устройствам для приема и передачи электромагнитных волн, и может быть применено в системах связи в гражданской, авиационной, морской и военной сферах. Решение предназначено для улучшения качества покрытия беспроводных услуг связи, формируемого базовой станцией (или другим источником), и как следствие позволяет увеличить дальность действия базовой станции и (или) качество радиопокрытия.

Необходимо отметить, что частотные диапазоны выше 4 ГГц, в т.ч. субмиллиметровый диапазон длин волн (24...29 ГГц и выше) обладает высоким ослаблением при распространении электромагнитных волн и характеризуется квазиоптическим характером распространения. В результате этого складывается ситуация, где базовая станция обеспечивает доступ беспроводных услуг связи, но сосредоточенных в ограниченной области пространства. Для увеличения площади покрытия услуг связи используются ретрансляторы и отражательные поверхности. Они позволяют расширять покрытие без установки дополнительных базовых станций, что для оператора связи или инфраструктурного оператора обозначает снижение трудозатрат на строительство сети.

Настоящее изобретение позволяет решить данную проблему, поскольку обеспечивается улучшение покрытия услуг связи за счет использования ретрансляторов (репитеров) и отражательных поверхностей. Они позволяют увеличить энергетический потенциал радиолинии, за счет большого коэффициента усиления антенной системы и активного усиления сигнала в радиотракте, а также возможности перенаправлять (принимать и усиливать сигналы с последующим переизлучением) в зону радиотени. В результате этого существенно увеличивается зона покрытия беспроводной сети. Также существует возможность формировать зону покрытия услуг связи сложной формы. Такой сценарий используется для создания равномерного и качественного покрытия услуг связи в условиях плотной городской застройки. Для создания такого покрытия требуется установка дополнительных базовых станций, что увеличивает трудозатраты при строительстве сети и существенно увеличивает объем работы, связанной с получением разрешений на установку базовых станций. Ретрансляторы (репитеры) позволяют расширять покрытие услуг связи дешевле и с существенно меньшими регуляторными барьерами. При этом важно понимать, что сама сеть может легко быть оптимизирована или переконфигурирована за счет добавления новых репитеров, изменения местоположения или изменения параметров излучения, уже установленных устройств в беспроводной сети.

Настоящее техническое решение обладает следующим функционалом: прием сигнала от базовой станции или абонента; усиление сигнала в СВЧ тракте; переизлучение сигнала к абоненту или к базовой станции; возможность работы в режиме временного дуплекса.

Устройство представляет радиоэлектронный блок, осуществляющий прием сигнала со стороны базовой станции и повторное излучение (переизлучение) в сторону абонента. И аналогичным образом осуществляет работу в обратном порядке - прием сигнала со стороны абонентов и повторное излучение (переизлучение) в сторону базовой станции. Ретранслятор содержит минимум две плоских метаповерхности, определяющих параметры диаграммы направленности антенной системы. Метаповерхности выполняются в виде плоских панелей, состоящих из одного или нескольких слоев (пластин) диэлектрика и слоев из проводящих патч-элементов. Метаповерхностные антенны могут быть реализованы по технологии изготовления печатных плат. Первая из двух метоповерхностей выполняет роль донорного устройства, формирующего диаграмму направленности, направленную в сторону базовой станции или другой источник сигнала, например другой ретранслятор при их каскадном включении. Вторая из двух метаповерхностей выполняет роль сервисного блока, направленного на конечных абонентов и формирующая диаграмму направленности в сторону расположения абонентов. В частности, сервисных блоков может быть несколько, например, в случае формирования сигналов от одного донорного блока в разных направлениях.

Метаповерхность предназначена для фокусировки сигнала как минимум двумя различными способами. Первый способ - антенна на метаповерхности, осуществляющая направленный прием и излучение сигнала из одного или нескольких фидеров в виде коаксиального кабеля или волноводов другого типа. Второй способ - линза на основе метаповерхности, осуществляющая фокусировку сигнала (при работе на прием и передачу) на массив слабонаправленных антенных элементов в виде патч-структур или других типов.

Кроме метаповерхностей, ретранслятор содержит высокочастотный блок, выполненный в виде активного тракта сверхвысоких частот, выполняющий функции фильтрации, ослабления, переноса частоты и др. для первого случая, где метаповерхность формирует антенну.

Класс подобных ретрансляторов является новым типом оборудования в мире. Ретранслятор (репитер) работает в новых частотных диапазонах, представленных преимущественно сетями связи пятого поколения или других перспективных сетей.

Один из основных элементов ретранслятора - антенная система. Для формирования антенных систем в настоящем техническом решении используются метаповерхности, что является новым классом антенн, активно развиваемым ведущими технологическими компаниями и международными центрами компетенций.

На фигуре 1 проиллюстрирована структурная схема устройства и ДОС.

Сигнал от базовой станции (БС) поступает на первую радиочастотную линзу, выполненную на базе метаповерхности (МП). Метаповерхностная линза 1 формирует сфокусированное излучение в сторону диаграммообразующего устройства (ДОС). В структуре диаграммообразующего устройства сигнал попадает на антенный массив 1 (АМ1). Далее радиочастотный сигнал поступает на аналоговый блок, состоящий из радиочастотных фильтров, усилителей и устройств формирования амплитудно-фазового распределения (АФР). По сигналам от блока управления второе устройство формирования АФР создает распределение амплитуд и фаз питающих напряжений для антенного массива 2 (АМ2). В свою очередь АМ2 формирует электромагнитные волны, поступающие на вторую радиочастотную линзу на базе МП. Сформированный сигнал поступает к абоненту (А). Работа системы в обратном направлении (от абонента к базовой станции) идентична.

На фигуре 2 проиллюстрированы возможные варианты компоновки ретранслятора в зависимости от назначения и области применения конечного устройства. Возможно формирование множества конфигураций конечного устройства, к основным вариантам компоновки относятся:

- схема с использованием донорной линии (от базовой станции в сторону радиоблока (РБ) на базе метаповерхностной линзы (МПЛ) и диаграммообразующего устройства (ДОС) симметрично с сервисной линией (от радиоблока в сторону абонента), выполняемой также на базе диаграммообразующего устройства и метаповерхностной линзы. Радиоблок выполняет вспомогательные задачи по увеличению либо ограничению уровня мощности сигнала. Данная схема позволяет изменять положение диаграммы направленности как со стороны БС, так и со стороны абонента. Такая схема наиболее актуальна при использовании ретранслятора на подвижных платформах, либо при осуществлении сопровождения абонента в процессе обеспечения сеанса радиосвязи.

- схема с метаповерхностной антенной (МПА) в донорной линии (при этом возможно совместное расположение части радиоблока непосредственно в едином конструктиве с МПА) и МПА в сервисной линии (возможны вариации как с активной МПА, так и пассивной МПА). Данная реализация имеет статическое положение диаграммы направленности в донорной и сервисной линии, что является наиболее энергоэффективной схемой и предпочтительна в сценариях с ограниченным уровнем подводимой мощности электропитания.

- несимметричная схема с МПА (активной, либо пассивной) в донорной линии и схема с ДОС и МПЛ в сервисной линии. Третий вариант является компромиссным в сценариях с возможностью предварительной настройки взаимного положения донорного блока и базовой станцией, и динамически изменяемым местоположением абонента, либо группы абонентов, в процессе обеспечения сеанса радиосвязи.

В настоящий момент большинство подобных решений работают на базе антенн с фиксированной диаграммой направленности, не позволяющей управлять положением луча как в сторону абонента, так и в сторону базовой станции. Данное обстоятельство усложняет процесс ввода системы в эксплуатацию (необходимо точно позиционировать антенны репитера в сторону абонента и базовой станции). Второе ограничение - невозможность отслеживать положение абонента в процессе работы.

Предлагаемое решение содержит блок управления положением главного лепестка диаграммы направленности, актуальность работы которого в первую очередь относится к стороне абонента. При этом МПЛ1 и МПЛ2 могут иметь различные формы диаграммы направленности ввиду различных требований к энергетическому потенциалу радиолинии. Так, ДН в сторону БС должна быть с минимальным значением ширины главного лепестка по уровню половинной мощности и максимальным уровнем коэффициента усиления. В то время как со стороны абонента МПЛ должна формировать более широкий главный лепесток с минимальным уровнем боковых лепестков.

Для ортогонализации (снижения их взаимного влияния) диаграмм направленности используется ДОС. ДОС предназначен для реактивного возбуждения соседних элементов массива, при подаче сигнала к одному из них, тем самым формируя амплитудно-фазовое распределение на массиве, создающее после линзы ортогональные диаграммы направленности. В составе ДОС присутствует аналоговый блок, который в свою очередь содержит устройства формирования амплитудно-фазового распределения (АФР). С помощью данных устройств возможна ортогонализация диаграмм направленности с целью достижения требуемого сечения ДН в плоскости сканирования.

Первое поколение предлагаемых репитеров строится на управляемых тензорных метаповерхностных структурах с "икс" поляризацией, где антенная система содержит метаповерхность в виде распределения субволновых патчей - метаатомов, которые формируются за счет рисунка проводящего слоя над слоем диэлектрика по технологии изготовления печатных плат (или других плоскослоистых структур). Таким образом формируется плоская антенна или радиолинза. Эта структура (метаповерхность) позволяет формировать направленный луч (диаграмму направленности) или группу лучей с высоким коэффициентом усиления порядка 22 дБ или более. В первом поколении линия вниз "downlink" и линия вверх "uplink" реализованы отдельными модулями. На каждом модуле расположен высокочастотный тракт, представляющий из себя последовательное включение усилителей и других элементов радиотракта. Последующие поколения репитеров (и отражательных поверхностей) обладают совмещёнными модулями (uplink и downlink) в один блок и возможностью электронного управления лучом. Технология масштабирована для различных частотных диапазонов для работы сети. А за счет возможности управления параметрами диаграммы направленности и параметров ВЧ блока, доступно формирование адаптивного (перестраиваемое) покрытия в соответствии с требованиями сети. Предложенная архитектура ретрансляторов (и отражательных поверхностей) подразумевает возможность каскадного включения, где каждый последующий ретранслятор, принимает и усиливает сигнал предыдущего. За счет чего возможно дополнительное расширение зоны обслуживания беспроводной сети.

Поскольку диапазоны сетей связи пятого поколения построены на принципе работы во временном дуплексе, следовательно, эта система становится более чувствительной ко временным задержкам сигнала. В связи с этим архитектура репитера выстроена так, чтобы преобразование сигнала происходило непосредственно на радиочастоте. В результате чего задержка сигнала определяется временем прохождения по тракту. При этом ретрансляция происходит на радиочастоте, без переноса на промежуточную. Это позволяет упростить схему и отказаться от схемы конвертера радиочастоты, синтезатора, что позволяет получить существенно упрощённый радиотракт. Для перспективных «распределенных» систем ретрансляции рассмотрен подход с переносом сигнала на промежуточную частоту для возможности пространственного разнесения сервисных блоков ретранслятора. Подобные архитектуры включения, например, для передачи сигнала в офисные помещения или в частных сетях связи предприятий и объектов могут иметь преимущества.

Подобные решения используются для распределения сигнала, огибания препятствий, что в конечном итоге позволяет более гибко распределить емкость сети, без существенных капитальных вложений со стороны оператора связи или компании, осуществляющей строительство инфраструктуры сети связи. Один из наиболее востребованных примеров применения ретрансляторов - расширение емкости сети связи, за счет пространственного распределения сигнала с базовой станции, огибания объектов, в условиях плотной городской застройки. Также системы ретрансляции требуются в частных сетях систем связи пятого поколения (5G) для передачи высокоскоростного потока данных между инфраструктурой и подвижными объектами.

Важным аспектном является глобальный тренд применения новых высокочастотных диапазонов. В частности, кроме диапазонов более 4 ГГц (например n79, n257, n258 и др.), используются диапазоны n260, n261 и другие, решение для которых создается для рынка на основе описанной технологии. Метаповерхности, по мнению большинства, являются одним из ключевых технологических кандидатов для сетей связи шестого поколения.

В настоящих материалах заявки было представлено предпочтительное раскрытие осуществления заявленного технического решения, которое не должно использоваться как ограничивающее иные, частные воплощения его реализации, которые не выходят за рамки испрашиваемого объема правовой охраны и являются очевидными для специалистов в соответствующей области техники.

Изобретение относится к области радиоэлектронной техники. Устройство для осуществления приема сигнала со стороны базовой станции и повторного излучения сигнала в сторону абонента выполнено в виде радиоэлектронного блока и содержит высокочастотный блок, выполненный в виде активного тракта сверхвысоких частот, реализованный с возможностью усиления сигнала; по меньшей мере две плоские метаповерхности, определяющие параметры диаграммы направленности антенной системы, при этом метаповерхности выполнены в виде плоских панелей, состоящих из по меньшей мере одного слоя диэлектрика и слоя из проводящих патч-элементов, причем первая из двух антенных систем выполняет роль донорного устройства, формирующего диаграмму направленности, нацеленную на источник сигнала, а вторая из двух антенных систем выполняет роль сервисного блока, формирующего диаграмму направленности, направленную в сторону расположения абонентов, причем устройство выполнено с возможностью приема сигнала со стороны абонентов и повторного излучения сигнала в сторону базовой станции. 5 з.п. ф-лы, 2 ил.

1. Устройство для осуществления приема сигнала со стороны базовой станции и повторного излучения сигнала в сторону абонента, выполненное в виде радиоэлектронного блока и содержащее: высокочастотный блок, выполненный в виде активного тракта сверхвысоких частот, реализованный с возможностью усиления сигнала; по меньшей мере две плоские метаповерхности, определяющие параметры диаграммы направленности антенной системы, при этом метаповерхности выполнены в виде плоских панелей, состоящих из по меньшей мере одного слоя диэлектрика и слоя из проводящих патч-элементов, причем первая из двух антенных систем выполняет роль донорного устройства, формирующего диаграмму направленности, нацеленную на источник сигнала, а вторая из двух антенных систем выполняет роль сервисного блока, формирующего диаграмму направленности, направленную в сторону расположения абонентов, причем устройство выполнено с возможностью приема сигнала со стороны абонентов и повторного излучения сигнала в сторону базовой станции.

2. Устройство по п.1, в котором высокочастотный блок, реализованный в виде активного тракта сверхвысоких частот, выполнен с возможностью фильтрации, ослабления, переноса частоты.

3. Устройство по п.1, в котором метаповерхность формирует антенну, осуществляющую направленный прием и излучение сигнала из одного или нескольких фидеров в виде коаксиального кабеля.

4. Устройство по п.1, в котором метаповерхность формирует линзу, осуществляющую фокусировку сигнала, при работе на прием и передачу, на массив облучателей в виде слабонаправленных антенных элементов, например патч-элементов.

5. Устройство по п.1, в котором высокочастотный блок содержит облучатель или массив облучателей.

6. Устройство по п.5, в котором массив облучателей содержит схему ортогонализации диаграммы направленности в виде дополнительного элемента – диаграммообразующей схемы (ДОС).