Устройство мобильной фазированной антенной решетки повышения устойчивости и дальности поездной радиотелефонной связи

 

Изобретение предназначено для мобильной поездной радиотелефонной связи. Техническим результатом является повышение устойчивости и дальности мобильной радиотелефонной связи за счет увеличения соотношения сигнал/индустриальная помеха на входе приемника подвижной радиосвязи без дополнительного увеличения мощности радиопередатчика. Устройство содержит антенную решетку из n антенных вибраторов, n-1 дискретных полосковых фазовращателей, схему цикличного управления ими, сумматор антенных сигналов, выход которого подключен к входу радиоприемника. В результате обеспечивается режим кругового вращения максимума диаграммы направленности. 4 ил.

Предлагаемое устройство предназначено для повышения устойчивости и дальности мобильной радиотелефонной связи за счет увеличения соотношения сигнал/индустриальная помеха на входе приемника подвижной радиосвязи без дополнительного увеличения мощности радиопередатчика.

Известны способы повышения соотношения сигнал/помеха на входе приемника стационарного абонента за счет использования антенн с диаграммной направленности, ориентированной своим максимумом на стационарный радиопередатчик (авторские свидетельства, патенты и публикации 2, 4, 5). Однако в случае мобильных объектов перемещающийся абонент может менять свое местоположение относительно стационарного радиопередатчика. При этом максимум диаграммы направленности антенны должен постоянно отслеживать направление на стационарный радиопередатчик, что технически сложно реализуемо как при механическом повороте антенны, так и при электрической настройке диаграммы фазированной антенной решетки (ФАР).

В прототипе - системе сотовой мобильной связи GSM-900 [1] и аппаратуре поездной локомотивной радиосвязи "Транспорт" [6] - данная проблема решается путем использования антенн ненаправленного действия (с круговой диаграммой направленности в горизонтальной плоскости) (см. фиг. 1).

В предлагаемом устройстве (см. фиг. 2а,б) максимум диаграммы направленности ФАР мобильной связи циклично вращается в горизонтальной плоскости с помощью схемы электронного управления дискретным фазовращателем с дискретами фазы 22,5^o от 0^o до 360^o. При этом полезный сигнал принимается периодически импульсами при направлении максимума диаграммы направленности на передатчик по уровню больше, чем при ненаправленной антенне, за счет коэффициента усиления решетки антенны, а уровень принимаемых и преобладающих в поездном приемнике индустриальных помех в каждый момент времени (и, что особенно важно, в момент максимального приема полезного сигнала) меньше, чем при ненаправленной антенне, примерно во столько раз, во сколько ширина (угол раствора) диаграммы направленности антенной решетки меньше 360^o (при 2 антеннах в решетке примерно в 2 раза). Частота вращения максимума диаграммы направленности должна быть не менее чем в 3 раза больше верхней частоты спектра полезного сигнала.

Увеличение соотношения сигнал/внешняя индустриальная помеха в несколько раз позволяет эффективнее ограничивать помехи в шумоподавителе (ограничителе помех) приемника и тем самым улучшать устойчивость и дальность радиоприема мобильной радиосвязи при той же мощности радиопередатчика.

Фазовращатель. В устройстве используется дискретный фазовращатель на переключаемых отрезках линии передачи. Электрическая схема фазовращателя приведена на фиг. 3а. Фазовращатель обеспечивает дискретное изменение фазы в канале на 22,5^o; 45^o; 90^o; 180^o с допуском±12,5^o.

Принцип работы данного устройства состоит в следующем. Начальное (нулевое) состояние фазовращателя определяется суммарной электрической длиной дискрет (секция) прибора в этом состоянии, когда радиосигнал проходит через них, минуя собственно фазосдвигающие отрезки линий передачи. Сдвиг фазы обеспечивается переключением в каждой секции фазовращателя на соответствующий отрезок линии передачи, разность между длиной подключаемого отрезка и начальной (нулевой) длиной секции, которая в данный момент отключается, и определяет величину фазового сдвига каждого дискрета фазовращателя. Подключение разных сочетаний обеспечивает таким образом 16 значений фазового сдвига: 0^o; 22,5^o; 45^o; 67,5^o; 90^o; 112,5^o; 135^o; 157,5^o; 180^o; 202,5^o; 225^o; 247,5^o; 270^o; 292,5^o; 315^o; 337,5^o.

В целях сокращения размеров фазовращателя дискреты 22,5^o и 45^o выполнены из отрезков несимметричной полосковой линии передачи, а дискреты 180^o и 90^o представляют собой секции фильтров нижних частот (основной сдвиг фазы) и фильтров высоких частот (нулевой отрезок).

В каждом из состояний в полосе частот 10% фазовращатель обеспечивает следующие характеристики: КСВн - Не более 1,25 Коэффициент передачи - -1,9±0,5 дБ Фазовая ошибка - Не более ±10^o Сумматор мощности. Сигналы, поступающие через фазовращатели, суммируются в устройстве, которое согласовано по входу и выходу с приемным трактом, не вносит дополнительного сдвига по фазе в каждый канал (синфазно суммирует), обеспечивает развязку между каналами.

Сумматор (делитель) мощности представляет собой устройство, имеющее N входов (выходов в случае деления) и один выход (вход в случае деления). Развязка между каналами сумматора обеспечивается включением на его входе "звезды" резисторов с номиналами R= Z₀, на которых в режиме согласования входов и выходов не выделяется мощность и рассеивается отраженная мощность при рассогласовании их.

Схема управления фазовращателями (СУФВ). Схема управления предназначена для обеспечения диодов фазовращателя биполярными токами управления.

Принципиальная схема управления приведена на фиг.3б. Она содержит: - релаксаторный генератор на микросхеме D1, частота которого может регулироваться переменным резистором R3 в диапазоне 13...370 кГц; - двоичный восьмиразрядный счетчик D2, с младших четырех разрядов которого управляющие сигналы могут поступать на фазовращатель, а с одного из старших разрядов снимается сигнал синхронизации осциллографа; - мультиплексор на микросхеме D3, обеспечивающий возможность переключения управления фазовращателем (от переключателей) на автоматическое (от счетчика); - выходные формирователи токов на микросхеме D4-1...D4-4; - схему смещения уровня сигналов управления, выполненную на резисторе R1 и стабилитронах VD1, VD2. Кроме того, схема содержит вспомогательную резисторную матрицу D5.

Авторы представляют структурную схему заявленного устройства с новой схемой управления фазовращателями (СУФВ), включающей ее внутренние связи (см.фиг.4).

Схема содержит антенную решетку из n антенных вибраторов В1...Вn. Принимаемый радиосигнал с первого вибратора В1 через сумматор мощности Σ поступает на вход радиотелефонного приемника. Сигналы с остальных антенных вибраторов В2...Вn подаются на входы дискретных фазовращателей, выполненных на базе циклично переключаемых полосковых линий. Выходы фазовращателей соединены с входами сумматора Σ, выход которого соединен с входом радиотелефонного приемника. Управление фазовращателями осуществляется с помощью схемы цикличного управления (СУФВ). Схема содержит генератор тактовых импульсов ГТИ, вырабатывающий импульсы частотой f≥10 кГц (≥3f_{max сигн ала} ≥3•3,4 кГц), поступающие на вход двоичного цикличного счетчика. Выходы счетчика соединены со входами формирователей тока ФТ, представляющих собой инвертирующие логические элементы.

Выходные импульсы с формирователей токов поступают на входы фазовращателей, осуществляя переключение полосковых линий и тем самым управление фазовращателями.

Схема смещения уровня сигналов управления ССУ предназначена для преобразования однополярных импульсов с выходов формирователей тока ФТ в биполярные импульсы, улучшающие глубину открытия и закрытия фазовращателей, т.е. схема ССУ улучшает работу фазовращателей, повышая их коэффициент передачи и точность задания необходимого фазового сдвига принимаемого высокочастотного радиотелефонного сигнала, что дает повышение устойчивости и дальности мобильной поездной радиосвязи.

ИСТОЧНИКИ ИНФОРМАЦИИ
1. Андрианов В., Соколов А. Средства мобильной связи, "BHV - Санкт-Петербург" Дюссельдорф, Киев, Москва, Санкт-Петербург, 1998.

2. Дерюгин Л. Н. , Зимин Д.Б., Долженков А.А. Электрически управляемый фазовращатель. Авторское свидетельство СССР 148443, кл. 21 а⁴, 48₆₉. Бюллетень изобретений 13, 1962 г.

3. Дерюгин Л.Н. Способ электрического управления лучом остронаправленных линейных и поверхностных антенных решеток. Авторское свидетельство 662448 от 11.04.1960 г.

4. Долженков А. А., Зимин Д.Б. К теории коммутационных сканирующих антенн. Радиотехника, т. 23, 7, 1968.

5. Седенков Е.Г. и др. О подавлении паразитных лепестков в диаграмме направленности коммутационных антенных решеток. Радиотехника и электроника, т. XVI, 7, М., 1971.

6. Техническое описание радиостанции "Транспорт".

Формула изобретения

Устройство мобильной фазированной антенной решетки повышения устойчивости и дальности поездной радиотелефонной связи, содержащее антенную решетку из n антенных вибраторов, n-1 дискретных фазовращателей, подключенных к вибраторам, схему цикличного управления фазовращателями, сумматора антенных сигналов, выход которого подключен ко входу радиоприемника, отличающееся тем, что радиосигнал с первого вибратора через сумматор мощности поступает на вход радиотелефонного приемника, сигналы с остальных антенных вибраторов подаются на входы дискретных фазовращателей, другой вход которых соединен с выходом схемы цикличного управления фазовращателями, содержащей генератор тактовой частоты, выход которого соединен со входом двоичного счетчика, разрядные выходы которого соединены с входами формирователей токов, другие входы которых соединены с выходами схемы смещения уровней управляющих фазовращателями сигналов, при этом выходы фазовращателей соединены со входами сумматора, а выход сумматора соединен со входом приемника поездной радиостанции, где n - количество вибраторов в антенной решетке.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3, Рисунок 4, Рисунок 5