Антенная система
Изобретение относится к антенной технике. Технический результат заключается в улучшении условий эксплуатации. Сущность изобретения состоит в том, что антенная система содержит антенный узел, имеющий угол электрического наклона, множество антенных элементов, установленных на держателе антенны и расположенных, по меньшей мере, в двух подрешетках. Система также включает в себя блок управления наклоном антенны, предназначенный для электрического управления разностью фаз между сигналами, проходящими через различные сигнальные фидеры и порты антенного узла. Дополнительное механическое устройство регулировки фазы предусмотрено для дополнительной регулировки фазы сигналов, подаваемых на каждый элемент антенного узла. 16 з.п. ф-лы, 13 ил.
Описание
Настоящее изобретение относится к антенной системе и, в частности, к антенной системе в виде фазированной решетки, имеющей множество антенных элементов, расположенных, по меньшей мере, в двух подрешетках. Антенная система может быть использована во многих телекоммуникационных системах, но находит наиболее широкое применение в радиосетях сотовой подвижной связи, обычно именуемых сетями подвижной телефонной связи. Более конкретно, антенная система по настоящему изобретению может быть использована с сетями подвижной телефонной связи третьего поколения (3П) и универсальной системой подвижной телефонной связи (УСПТС).
Операторы радиосетей сотовой подвижной связи используют в основном свои собственные базовые станции, каждая из которых включает в себя одну или несколько антенн. В радиосетях сотовой подвижной связи антенны являются фактором, определяющим требуемую зону покрытия, которая в основном разделена на несколько перекрывающихся сот, причем каждая связана с соответствующей антенной и базовой станцией. Каждая сота содержит стационарную базовую станцию, которая устанавливает связь с подвижными радиостанциями в этой соте. Сами базовые станции соединены между собой другими средствами связи, либо радиолиниями, либо наземными линиями связи, и расположены в виде сетчатой или сотовой структуры, позволяющей подвижным радиостанциям в зоне покрытия соты устанавливать связь друг с другом, а также с телефонной сетью общего пользования вне радиосети сотовой подвижной связи.
Антенны, используемые в таких сетях, часто представляют собой составные устройства, известные как антенны в виде фазированной решетки, которые состоят из множества (обычно восьми или более) или решетки индивидуальных антенных элементов или диполей. Направление максимальной чувствительности антенны, т. е. вертикальное или горизонтальное направление главного луча излучения или «направления максимума диаграммы направленности» диаграммы направленности антенны, может быть изменено посредством регулировки фазового соотношения между элементами. Следствием этого является возможность управления лучом для изменения зоны покрытия антенны.
В частности, операторам антенн в виде фазированной решетки в радиосетях сотовой подвижной связи необходимо регулировать диаграмму направленности в вертикальной плоскости (ДНВП), также известную как «наклон», антенны, так как это имеет существенное влияние на зону покрытия антенны. Регулировка зоны покрытия может потребоваться, например, вследствие изменений структуры сети или при добавлении или удалении других базовых станций или антенн в соте.
Регулировка угла наклона антенны известна и обычно выполняется механическими средствами, электрическими средствами или обоими средствами внутри самой антенны. Когда наклон регулируется механически, например, посредством механического перемещения самих антенных элементов или посредством механического перемещения корпуса элементов, то такая регулировка часто упоминается как «регулировка угла механического наклона». Результатом регулировки угла механического наклона является изменение направления максимума диаграммы направленности, либо выше, либо ниже горизонта. Когда наклон регулируется электрически посредством регулировки фазы сигналов, подаваемых на антенные элементы, без физического перемещения либо корпуса элементов, либо самих антенных элементов, либо любой другой части обтекателя антенны, то такая регулировка обычно упоминается как «регулировка угла электрического наклона». Результатом регулировки угла электрического наклона также является изменение направления максимума диаграммы направленности, либо выше, либо ниже горизонта, но в этом случае выполняется посредством изменения временной задержки сигналов, подаваемых на каждый элемент (или группу элементов) в решетке.
Недостаток механической регулировки угла электрического наклона заключается в том, что она должна выполняться на месте посредством ручной механической регулировки антенны.
Задачей настоящего изобретения является создание улучшенной антенны, которая устраняет вышеупомянутую проблему.
В нижеследующем описании термин «антенная система» используется вместо ранее используемого термина «антенна» для описания системы, имеющей «антенный узел», который представляет собой решетку антенных элементов, и средство управления для управления сигналами, подаваемыми на антенные элементы в антенном узле.
В соответствии с одним из аспектов настоящего изобретения предлагается антенная система, содержащая:
антенный узел, имеющий угол электрического наклона и множество антенных элементов, установленных на держателе антенны и расположенных, по меньшей мере, в двух подрешетках, причем каждая подрешетка включает в себя один или несколько из упомянутых элементов,
средство управления для электрического управления фазой сигналов, подаваемых, по меньшей мере, на одну из упомянутых подрешеток из положения, которое удалено от упомянутого антенного узла, причем упомянутое средство управления включает в себя средство регулировки фазы для соединения через первый и второй входной фидер с одной из упомянутых подрешеток, с возможностью регулировки фазы сигналов, приложенных к ней, и
дополнительное механическое устройство регулировки фазы для дополнительной регулировки фазы сигналов, подаваемых на каждый элемент антенного узла.
Предпочтительно, чтобы антенный узел содержал первое и второе средства регулировки фазы, причем каждое из упомянутых средств регулировки фазы соединено с одной из упомянутых подрешеток через соответственно первый или второй входной фидер с возможностью регулировки фазы сигналов, подаваемых на одну из упомянутых подрешеток.
В качестве держателя антенны обычно используют мачту.
В первом варианте выполнения средство управления может быть расположено у основания держателя антенны, которое удалено от антенного узла. В альтернативном варианте выполнения средство управления расположено в положении, удаленном от основания держателя или мачты антенны, например, на расстоянии нескольких километров.
Средство управления может включать в себя единственный порт для приема единственного входного сигнала и средство для разделения упомянутого входного сигнала на первый и второй разделенные сигналы, подлежащие подаче на первое или второе средство регулировки фазы.
Предпочтительно, чтобы система дополнительно содержала средство для автоматического управления фазой сигналов, подаваемых на первую из упомянутых решеток, в зависимости от фазы сигналов, подаваемых на вторую из упомянутых решеток.
В одном из предпочтительных вариантов выполнения упомянутые элементы в упомянутом антенном узле расположены в первой, второй и третьей подрешетках и упомянутая антенная система содержит:
первое средство управления для управления фазой сигналов, подаваемых на упомянутую первую подрешетку, и
третье средство управления для управления фазой сигналов, подаваемых на упомянутую третью подрешетку, и
второе средство управления, предназначенное для автоматического управления фазой сигналов, подаваемых на упомянутую вторую подрешетку, в зависимости от заранее заданной функции фазы сигналов, подаваемых на упомянутые первую и третью подрешетки.
Выгодно, чтобы в качестве упомянутой заранее определенной функции использовалась векторная сумма фазы сигналов, подаваемых на упомянутые первую и третью подрешетки.
Второе средство управления включает в себя блок сумматора для приема первого входного сигнала, имеющего фазу сигналов, подаваемых на упомянутую первую подрешетку, и второго входного сигнала, имеющего фазу сигналов, подаваемых на упомянутую третью подрешетку, и для подачи выходного сигнала на вторую подрешетку в зависимости от заранее заданной функции фазы сигналов, подаваемых на упомянутые первую и третью подрешетки.
В одном из вариантов выполнения заранее заданной функцией является векторная сумма фаз сигналов, подаваемых на упомянутые первую и третью подрешетки.
Согласно другому предпочтительному варианту выполнения второе средство управления включает в себя, по меньшей мере, один блок квадратурного сумматора для приема первого входного сигнала, имеющего фазу сигналов, подаваемых на первую подрешетку, и второго входного сигнала, имеющего фазу сигналов, подаваемых на третью подрешетку, и для подачи первого выходного сигнала на один элемент второй подрешетки и второго выходного сигнала на другой элемент второй подрешетки, причем упомянутые первый и второй выходные сигналы зависят от предварительно заданной функции фазы первого и второго входных сигналов.
Блок квадратурного сумматора может быть сконфигурирован таким образом, что фаза упомянутых выходных сигналов, подаваемых блоком квадратурного сумматора, представляет собой среднюю величину фазы упомянутых первого и второго входных сигналов.
Первое средство управления может быть предназначено для управления и/или регулировки фазы упомянутых сигналов, подаваемых на упомянутую первую подрешетку, на первую заранее определенную величину, и упомянутое второе средство управления может быть предназначено для управления и/или регулировки фазы упомянутых сигналов, подаваемых на упомянутую вторую подрешетку, на вторую заранее определенную величину, в котором значение и/или полярность упомянутой второй заранее определенной величины отличается от значения и/или полярности упомянутой первой заранее определенной величины.
Предпочтительно, чтобы на антенный узел подавались максимум два сигнальных фидера от упомянутых первого и второго средств регулировки фазы.
Предпочтительно, чтобы антенный узел включал в себя соответствующее средство распределения сигнала, связанное с каждой подрешеткой, для разделения и распределения сигналов по элементам связанной подрешетки. Предпочтительно, чтобы каждое из упомянутых средств распределения сигнала включало в себя устройство разделителя для распределения сигналов на одну или несколько из упомянутых подрешеток. Удобно, чтобы устройство разделителя было предназначено для распределения интенсивности сигнала упомянутых сигналов по упомянутым подрешеткам, по существу, с равномерным распределением, обеспечивая увеличение коэффициента усиления антенны по направлению максимума диаграммы направленности.
В одном из вариантов выполнения, по меньшей мере, один выходной сигнал от упомянутого средства распределения, связанного с первой подрешеткой, пространственно суммируется или перекрывается, по меньшей мере, с одним выходным сигналом от упомянутого средства распределения, связанного с третьей подрешеткой, таким образом подавая первый и второй суммарные выходные сигналы на первый и второй элементы второй подрешетки. Суммирование сигналов может выполняться просто в воздухе и обеспечивает дополнительное преимущество, что может быть достигнут более высокий коэффициент усиления по направлению максимума диаграммы направленности и меньшие уровни боковых лепестков особенно тогда, когда наклон в системе осуществляется электрически.
Дополнительное механическое устройство регулировки фазы может включать в себя решетку перемещаемых диэлектрических элементов. Путь прохождения сигнала по каждому элементу решетки может обеспечиваться связанным диэлектрическим элементом, единственным для этого элемента, или может совместно использовать диэлектрический элемент с путем прохождения сигнала по другому элементу решетки.
Каждый элемент имеет связанную входную линию передачи, и в одном варианте выполнения каждый диэлектрический элемент предназначен для линейного перемещения относительно связанной линии передачи для изменения дополнительного фазового сдвига сигналов, подаваемых на упомянутый элемент по упомянутой линии передачи.
В качестве варианта, каждый диэлектрический элемент может быть предназначен для поворота относительно связанной линии передачи для изменения дополнительного фазового сдвига сигналов, подаваемых на упомянутый элемент по упомянутой линии передачи.
Дополнительное механическое устройство регулировки фазы поэтому может включать в себя средство выполнения либо поворота, либо линейного перемещения для перемещения диэлектрических элементов. Каждое дополнительное механическое устройство регулировки фазы может быть идентичным, чтобы обеспечивать, по существу, равную величину дополнительной регулировки фазы сигналов, подаваемых на каждый элемент решетки, при выполнении линейного перемещения или поворота диэлектрических элементов. В качестве варианта, каждое дополнительное механическое устройство регулировки фазы может быть различным, так что выполнение линейного перемещения или поворота создает различную величину дополнительной регулировки фазы сигналов на каждый элемент.
В соответствии с другим аспектом настоящего изобретения предлагается антенная система, содержащая:
антенный узел, имеющий множество элементов, расположенных, по меньшей мере, в двух подрешетках, причем каждая подрешетка содержит один или несколько из упомянутых элементов;
первое средство управления для управления фазой сигналов, подаваемых на первую из упомянутых решеток; и
второе средство управления для автоматического управления фазой сигналов, подаваемых на другую из упомянутых подрешеток, в зависимости от фазы упомянутых сигналов, подаваемых на упомянутую первую из упомянутых подрешеток.
Предпочтительно, чтобы упомянутые элементы в упомянутом антенном узле располагались в первой, второй и третьей подрешетках и упомянутый узел включал в себя:
первое средство управления для управления фазой сигналов, подаваемых на упомянутую первую подрешетку; и
третье средство управления для управления фазой сигналов, подаваемых на упомянутую третью подрешетку;
причем упомянутое второе средство управления предназначено для автоматического управления фазой упомянутых сигналов, подаваемых на упомянутую вторую подрешетку, в зависимости от заранее определенной функции фазы упомянутых сигналов, подаваемых на упомянутые первую и третью подрешетки.
Выгодно, чтобы заранее определенная функция представляла собой векторную сумму фазы сигналов, подаваемых на упомянутые первую и третью подрешетки.
Очевидно, что признаки, описанные как дополнительные, и/или альтернативные варианты первого аспекта изобретения также могут быть применены к другим аспектам изобретения.
В соответствии с еще одним аспектом настоящего изобретения создана антенная система, содержащая:
антенный узел, имеющий множество элементов, расположенных, по меньшей мере, в первой, второй и третьей подрешетках, причем каждая решетка содержит один или несколько из упомянутых элементов; и
средство управления для управления фазой сигналов, подаваемых на каждую из упомянутых подрешеток;
причем на упомянутый антенный узел подается максимум два сигнальных фидера.
Вышеописанные системы имеют ряд преимуществ перед существующими системами. В частности, управление и/или регулировка фаз сигналов, подаваемых на каждую подрешетку в антенном узле, может выполняться просто и быстро и из положения, которое удалено от антенного узла. Известна регулировка угла наклона антенны посредством ручной механической регулировки антенных элементов и/или корпуса антенны, установленных на держателе или самой мачте антенны. Такой процесс регулировки неудобен и трудоемок. Настоящее изобретение обеспечивает преимущество в том, что угол наклона может регулироваться из положения, которое удалено от мачты антенны, посредством электрического средства, например, из базовой станции или центра управления у основания мачты антенны, или из базовой станции, расположенной на расстоянии нескольких километров от мачты. Кроме того, система пригодна для многопользовательского применения (т.е. с многочисленными операторами) посредством предоставления каждому пользователю независимо приводимого в действие средства управления и посредством суммирования сигналов пользователей в селективном по частоте устройстве сумматора.
Изобретение также обеспечивает преимущество, состоящее в том, что распределение фазы и амплитуды сигналов, подаваемых на каждый антенный элемент, управляется так, чтобы обеспечить улучшенное управление коэффициентом усиления антенны и уровнем боковых лепестков особенно тогда, когда наклон в системе осуществляется электрически. Создание механического средства регулировки фазы, например, для дополнительной регулировки фазы сигналов, подаваемых на каждый элемент решетки, предоставляет пользователю средство точной подстройки диаграммы направленности в вертикальной плоскости, позволяя получить дополнительную оптимизацию коэффициента усиления по направлению максимума диаграммы направленности и уровней боковых лепестков.
Этот аспект изобретения также обеспечивает преимущество над другими известными методами, заключающееся в том, что снижение количества компонентов, необходимых для регулировки электрического наклона антенного узла, может достигаться с соответствующим снижением сложности и стоимости системы.
Под термином «пользователь» понимается пользователь системы (т.е. оператор системы), а не пользователь телефонной трубки для приема/передачи сигналов в систему и из нее.
Ниже приводится в виде примера описание настоящего изобретения со ссылками на прилагаемые чертежи, в числе которых:
фиг.1 изображает диаграмму направленности в вертикальной плоскости (ДНВП) известного антенного узла в виде фазированной решетки;
фиг.2 - блок-схему известного антенного узла, включающего в себя механическое средство для регулировки угла электрического наклона;
фиг.3 - схематическую блок-схему первого варианта выполнения антенной системы с двойной подрешеткой в соответствии с изобретением;
фиг.4 - блок-схему практического осуществления антенной системы на фиг. 3;
фиг.5 - блок-схему антенной системы с тройной подрешеткой альтернативного варианта выполнения, использующего пространственное перекрывание подрешеток;
фиг.6 - блок-схему антенной системы с тройной подрешеткой, альтернативной показанной на фиг. 5;
фиг.7 - блок-схему практического осуществления антенной системы на фиг. 6;
фиг.8 - блок-схему антенной системы с упятеренной подрешеткой другого альтернативного варианта выполнения;
фиг.9 - один из вариантов выполнения механического устройства регулировки фазы, составляющего часть системы по фиг. 3-8;
фиг.10 - механическое устройство регулировки фазы, альтернативное показанному на фиг. 9;
фиг.11 - альтернативный вариант выполнения антенной системы с тройной подрешеткой, раскрывающий более подробно механическое устройство регулировки фазы на фиг. 10;
фиг.12 - альтернативный вариант выполнения антенной системы с тройной подрешеткой, раскрывающий более подробно механическое устройство регулировки фазы на фиг. 9; и
фиг.13 - блок-схему альтернативной системы, включающей в себя антенный узел двойной полярности.
На чертежах одинаковые позиции используются для обозначения подобных деталей. В нижеследующем описании изобретение описывается в контексте антенной системы, пригодной для использования в радиосети сотовой подвижной связи и, в частности, в универсальной системе подвижной телефонной связи (УСПТС). Однако представляется очевидным, что изобретение не ограничивается таким использованием и в равной степени может быть применимо к другим системам связи.
На фиг.1 приведена диаграмма направленности в вертикальной плоскости (ДНВП) стандартного антенного узла в виде фазированной решетки. Чертеж показан сбоку, и антенный узел представлен точкой 1.
ДНВП антенного узла 1 состоит из главного лепестка или «направления 2 максимума диаграммы направленности», который расходится в вертикальной плоскости по мере того, как он отходит от антенного узла и представляет область максимальной интенсивности излучения луча, излучаемого антенным узлом. ДНВП антенного узла также включает в себя несколько боковых лепестков 4, представляющих области значительно меньшей интенсивности излучения, которые отходят от антенного узла по направлениям, которые примерно равноугольно разнесены вокруг антенного узла в вертикальной плоскости. Лепестки 3, которые находятся непосредственно рядом с направлением 2 максимума диаграммы направленности, называются первым верхним и первым нижним боковым лепестком соответственно.
Угол наклона антенного узла, когда он регулируется механически посредством физического перемещения антенных элементов и/или их корпуса или кожуха, известен как угол «механического наклона» и обычно выполняется изменением положения направления максимума диаграммы направленности выше либо ниже горизонта. При электрической регулировке наклон антенного узла известен как «электрический наклон» и перемещает линию направления максимума диаграммы направленности вверх или вниз посредством изменения временной задержки или фазы сигналов, подаваемых на группы элементов антенны, а не посредством механического перемещения самих элементов. Временная задержка может выполняться посредством изменения фазы несущей радиочастоты. При условии, что фазовая задержка пропорциональна частоте в рассматриваемой полосе и имеет пересечение в нуле, фазовая задержка создает временную задержку. Фазовый сдвиг и временная задержка, таким образом, синонимичны.
Следует отметить, что как «электрический наклон», так и «механический наклон» может управляться и/или регулироваться либо электрическим средством, либо механическим средством, либо обоими средствами, так что, например, механическое перемещение деталей может быть использовано для осуществления электрической регулировки фазы, при которой сами антенные элементы физически не перемещаются для регулировки положения направления максимума диаграммы направленности.
На фиг. 2 антенный узел известной антенной системы, включающей в себя механическое средство регулировки угла электрического наклона, показан схематично позицией 10. Антенный узел представляет собой антенну в виде фазированной решетки, состоящую из решетки из двенадцати элементов или диполей Е1-Е12, которые расположены в трех подрешетках, обозначенных А, В и С.
Каждая подрешетка А, В, С включает в себя четыре элемента, взаимно соединенные параллельно и подсоединенные к выходу соответствующих первого, второго и третьего устройств 12, 14, 16 задержки. Устройства 12, 14, 16 задержки содержат обычные механические механизмы регулировки фазы типа, показанного на фиг. 9 и 10 и подробно описанного ниже. Радиочастотный (РЧ) сигнал, подлежащий передаче антенной, подается на каждое из устройств 12, 14, 16 задержки от общего РЧ порта или фидера 18.
Назначением устройств 12, 14, 16 задержки является регулировка фазы РЧ-сигнала, подаваемого на соответствующую подрешетку А, В, С, на заранее определенную величину. Вторым устройством 14 задержки, подсоединенным к центральной подрешетке В, является устройство фиксированной задержки, предназначенное для сдвига фазы сигнала, подаваемого на подрешетку В, на фиксированную величину. С другой стороны, первым и третьим устройствами 12, 16 задержки, подсоединенными к подрешеткам А и С соответственно, являются устройства переменной задержки, каждое из которых предназначено для сдвига фазы РЧ-сигналов, подаваемых на подрешетки А и С соответственно, на переменную величину.
Первое и третье устройства 12, 16 задержки могут обеспечить фазовые сдвиги обычно от 0 до ±45° РЧ-сигнала, подаваемого на подрешетки А и С, и являются регулируемыми при помощи механического устройства 20, такого как показанный на фиг. 6 и 7. Механическое устройство 20 включает в себя средство, показанное с целью представления позицией 22, для изменения на противоположное направления фазового сдвига, приложенного к сигналу посредством третьего устройства 16 задержки, по сравнению с сигналом, приложенным посредством первого устройства 12 задержки. Таким образом, фазовый сдвиг, вводимый в РЧ-сигналы посредством первого и третьего устройств 12, 16 задержки, равен по значению, но противоположен по полярности. Другими словами, если первое устройство 12 задержки сдвигает фазу сигнала, подаваемого на подрешетку А, на +45°, то третье устройство 16 задержки сдвигает фазу сигнала, подаваемого на подрешетку С, на -45. Так как второе устройство 14 задержки представляет собой устройство фиксированной задержки, то на практике фазовый сдвиг сообщается сигналу, подаваемому на подрешетку В, который представляет собой среднее значение сдвигов, прикладываемых посредством первого и третьего устройств 12, 16 задержки.
Угол электрического наклона такого антенного узла обычно изменяется на ±5° для ±45° фазового сдвига на подрешетку. Это дает чувствительность наклона примерно 18° фазового сдвига на градус электрического наклона. В этом примере, поэтому, так как РЧ-сигналы, подаваемые на подрешетки А и С, отличаются на 90°, то электрический наклон антенного узла составляет примерно 5°. Направление электрического наклона антенного узла зависит от полярности фазового сдвига, приложенного к сигналам, подаваемым на подрешетку. Если сигнал, подаваемый на верхнюю подрешетку (в данном случае на подрешетку А) имеет положительную фазу и нижняя подрешетка (в данном случае подрешетка С) имеет отрицательный фазовый сдвиг, то угол электрического наклона будет положительным, т.е. над нормальной линией направления максимума диаграммы направленности. Для фазовых сдвигов противоположной полярности угол электрического наклона будет отрицательным.
Антенный узел на фиг. 2 имеет несколько недостатков. В частности, требуется ручная регулировка механического устройства 20 для регулировки фазового сдвига, приложенного первым и третьим устройствами 12, 16 задержки, чтобы изменять угол электрического наклона антенного узла. Кроме того, вследствие создания общего механического устройства 20 регулировки значение фазовых сдвигов, приложенных посредством первого и третьего устройств 12, 16 задержки, всегда равны по величине и противоположны по направлению (полярности), таким образом ограничивая наклон антенного узла. Более того, увеличивается уровень боковых лепестков относительно уровня лепестка по направлению максимума диаграммы направленности. В результате снижается коэффициент усиления антенного узла.
На фиг. 3 под позицией 100 представлен предпочтительный вид антенной системы в соответствии с изобретением. В этом варианте выполнения антенная система 100 содержит антенный узел, обозначенный позицией 102, и блок 104 управления. Антенный узел 102 содержит антенну в виде фазированной решетки, имеющую решетку из восьми элементов Е1-Е8, установленных на держателе или мачте антенны (не показана). Элементы Е1-Е8 расположены в двух подрешетках: верхней подрешетке 100А, содержащей элементы Е1-Е4, и нижней подрешетке 100В, содержащей элементы Е5-Е8. Элементы в каждой подрешетке 100А, 100В подсоединены параллельно к соответствующему средству распределения сигнала в виде распределительных схем 151N1, 151N2. Распределительные схемы 151N1 и 151N2 питаются по линиям 120, 122 высокочастотной связи соответственно и будут подробно описаны в настоящей заявке ниже.
Антенный узел 102 включает в себя два входных порта, представленных квадратами 112, 114, каждый из которых соединен с соответствующей распределительной схемой 151N1, 151N2 через соответствующую входную линию 120, 122 высокочастотной связи. Блок 104 управления также включает в себя блок 125 входного разделителя/сумматора, общий порт которого подсоединен к выходу единственного РЧ-порта 126. Блок 125 входного разделителя/сумматора имеет два порта, которые подсоединены через первую и вторую линии 128, 130 разделителя к первому и второму регуляторам 132, 134 фазы соответственно. Первый регулятор 132 фазы подсоединен на своем выходе к входному порту 112 через первую входную фидерную линию 136, тогда как второй регулятор 134 фазы подсоединен к входному порту 114 через вторую входную фидерную линию 138. На антенный узел 102 поэтому подаются сигналы от блока 104 управления по двойным фидерным линиям.
В дополнение к регулировке фазы, выполняемой первым и вторым регуляторами 132, 134 фазы, предусмотрены дополнительные средства 150Е1-150Е8 регулировки фазы на пути прохождения сигнала на каждый элемент узла, причем каждое дополнительное средство 150Е1-150Е8 регулировки фазы принимает вид механического устройства регулировки фазы типа, подробно описанного ниже с ссылкой либо на фиг. 9, либо на фиг. 10. Каждое механическое устройство 150Е1-150Е8 регулировки фазы служит для дополнительной регулировки фазы сигналов, подаваемых на индивидуальные элементы в каждой подрешетке 100А, 100В, которые управляются при помощи серводвигателя 101 под управлением сервоконтроллера 103. Сервоконтроллер 103 управляет серводвигателем 101 по кабелю 206 управления, который может иметь достаточную длину, так что сервоконтроллер 103 может составлять часть блока 104 управления, который расположен удаленно от антенного узла 100.
Распределительные схемы 151N1, 151N2 подробно показаны на фиг. 4. Первая распределительная схема 151N1, связанная с верхней подрешеткой 100А, включает в себя первый, второй и третий блоки 116А, 116В, 116С разделителя/сумматора соответственно. Входная линия 120 высокочастотной связи подает сигнал на второй блок 116В разделителя/сумматора, который подает первый и второй выходные сигналы, по существу, одинаковой интенсивности на первый или третий блоки 116А, 116С разделителя/сумматора. Первый и третий блоки 116А, 116С разделителя дополнительно делят сигнал, так что каждый подает первый и второй выходные сигналы, по существу, одинаковой интенсивности на одно из средств 150Е1-150Е4 регулировки фазы. Вторая распределительная схема 151N2 для нижней подрешетки 100В включает в себя идентичное устройство блоков 118А, 118В, 118С разделителя. Устройство блоков 116А-116С, 118А-118С разделителя/сумматора обеспечивает распределение равной мощности на каждый элемент Е1-Е8 решетки и, таким образом, также обеспечивает максимальный коэффициент усиления по направлению максимума диаграммы направленности и идентичность диаграммы направленности луча как для режима передачи, так и для режима приема.
Как показано на фиг. 3 и 4, при работе сигнал, подлежащий передаче антенной системой, подается от РЧ-порта 126 на вход блока 125 входного разделителя. Блок 125 входного разделителя разделяет сигнал на два выходных сигнала одинаковой интенсивности и подает один разделенный сигнал на первый и второй регуляторы 132, 134 фазы соответственно. Первый и второй регуляторы 132, 134 фазы служат для регулировки фазы сигнала, подаваемого на него, в диапазоне ±60°. Каждый регулятор 132, 134 фазы управляется так, что, если первый регулятор 132 фазы предназначен для приложения положительного фазового сдвига к РЧ-сигналу, то второй регулятор 134 фазы предназначен для приложения отрицательного фазового сдвига к сигналу, и наоборот. Однако каждый регулятор фазы предназначен для независимой регулировки фазы сигнала, подаваемого на него, так что может отличаться значение фазового сдвига, прикладываемого каждым регулятором фазы.
Сигнал с фазовым сдвигом от первого регулятора 132 фазы подается на входной порт 112 на антенном узле 102 по первой фидерной линии 136. Аналогично, сигнал с отрегулированной фазой от второго регулятора 134 фазы подается на входной порт 114 по второй фидерной линии 138. На практике первая и вторая фидерные линии 136 и 138 могут быть выполнены необходимой длины, так что средство 104 управления для регулировки угла электрического наклона антенного узла 102 может находиться в положении, которое удалено от самого антенного узла.
Сигналы с фазовым сдвигом, подаваемые на входные порты 112, 114, подаются в виде сигналов Sa и Sb по входным линиям 120, 122 высокочастотной связи на первый и второй блоки 116В, 118В первичного разделителя соответственно. Первый блок 116В первичного разделителя служит для разделения сигнала Sa и подает разделенный сигнал с его двух выходов на элементы в подрешетке 100А через блоки 116А, 116С разделителя верхней подрешетки и связанные устройства 151Е1-150Е4 регулировки фазы.
Аналогично, второй блок 118В первичного разделителя подрешетки служит для разделения сигнала Sb и подает разделенный сигнал с его двух выходов на элементы в подрешетке 100С через блоки 118А, 118С разделителя нижней подрешетки и связанные устройства 151Е5-150Е8 регулировки фазы.
Разделение и распределение сигналов Sa, Sb по элементам в антенном узле представляется очевидным для специалиста в данной области техники, на основании информации о том, каким образом блоки разделителя соединены между собой. Т.е. интенсивность сигнала каждого из двух выходных сигналов для блока разделителя будет составлять, по существу, половину интенсивности входного сигнала. Таким образом, интенсивность сигнала, подаваемого на каждый элемент Е1-Е8, по существу, одинакова.
На фиг. 5 представлен вариант выполнения, альтернативный тому, который показан на фиг. 3 и 4, в котором антенный узел 102 включает в себя восемь антенных элементов Е1-Е8, расположенных в трех подрешетках; причем верхняя подрешетка 100А включает в себя антенные элементы Е1-Е3, центральная подрешетка 100В включает в себя Е4 и Е5, и нижняя подрешетка 100С включает в себя антенные элементы Е6-Е8. Каждый из элементов Е1-Е4 (т.е. три элемента верхней подрешетки 100А и один элемент центральной подрешетки 100В) питается распределительной схемой 151N1 и снабжен дополнительным средством 150Е1-150Е4 регулировки фазы соответственно. Каждый из элементов Е5-Е8 (т.е. три элемента нижней подрешетки 100С и один элемент центральной подрешетки 100В) питается другой распределительной схемой 151N2 и снабжен связанным дополнительным средством 150Е5-150Е8 регулировки фазы соответственно. Отрегулированные по фазе сигналы на элементах 150Е4 и 150Е5 центральной подрешетки получаются посредством пространственного суммирования в воздухе в позиции 160 одного из выходных сигналов от первой распределительной схемы 151N1 и одного из выходных сигналов от второй распределительной схемы 151N2. Суммирование в воздухе двух сигналов для получения входных сигналов для центральной подрешетки 100В происходит после того, как выходные сигналы от распределительных схем 151N1, 151N2 пройдут через связанные устройства 150Е4, 150Е5 регулировки фазы.
Распределительные схемы 151N1, 151N2 на фиг. 5 могут включать в себя, по существу, устройства разделителя, идентичные тем, которые показаны на фиг. 4. Таким образом, выходные сигналы от первого блока 116А разделителя первой распределительной схемы 151N1 питают элементы Е1 и Е2, и один из выходных сигналов от третьего блока 116С разделителя питает элемент Е3. Так как питание элементов Е4 и Е5 переставлено в варианте выполнения по фиг.5, то второй выходной сигнал от третьего блока 116С разделителя первой распределительной схемы 151N1 питает элемент Е5. Аналогично, два выходных сигнала от третьего блока 118С разделителя второй распределительной схемы 151N2 питают элементы Е7 и Е8, и один из выходных сигналов от первого блока 118С разделителя питает элемент Е6. Так как питание, подаваемое на элементы Е4 и Е5, переставлено, то один из выходных сигналов от первого блока 118А разделителя второй распределительной схемы 151N2 питает элемент Е4.
Преимущество достигается посредством пространственного перекрывания двух элементов от верхней и нижней подрешеток 100А, 100С для получения входных сигналов для центральной подрешетки 100С, так как распределение фазы по элементам решетки представляет собой более точную аппроксимацию линейного распределения. Могут быть достигнуты поэтому более высокий коэффициент усиления по направлению максимума диаграммы направленности и меньшие уровни боковых лепестков особенно тогда, когда наклон в антенне осуществляется электрически.
На фиг. 6 представлен другой альтернативный вариант выполнения антенного узла в виде узла с изменяемым электрическим наклоном с тройной подгруппой. Антенный узел 102 включает в себя двенадцать элементов Е1-Е12, разделенных на три подрешетки 100А, 100В, 100С, так что каждая подрешетка включает в себя четыре элемента Е1-Е4, Е5-Е8 и Е9-Е12 соответственно. Детали, аналогичные тем, которые показаны в вариантах выполнения на фиг. 3-5, обозначены одинаковыми позициями и не будут подробно описаны. Входные линии 120, 122 высокочастотной связи подают соответствующие сигналы Sa и Sb на блоки 140А, 140В первичного разделителя соответственно, каждая из которых обеспечивает два выходных сигнала одинаковой интенсивности. Первый выход первого блока 140А первичного разделителя подсоединен к первой выходной линии 106 высокочастотной связи, и второй выход первого блока 140А первичного разделителя подсоединен к первому входу блока 124 сумматора. Первый выход второго блока 140В первичного разделителя подсоединен ко второй выходной линии 110 высокочастотной связи, тогда как второй выход второго блока 140В первичного разделителя подсоединен ко второму входу блока 124 сумматора.
Блок 124 сумматора служит для вывода векторной суммы двух сигналов на выходной линии 108 высокочастотной связи. Так как интенсивность сигнала каждого из сигналов, подаваемых на блок 124 сумматора, составляет половину интенсивности сигналов Sa, Sb, разделенных пополам посредством первого и второго блоков 140, 140В первичного разделителя соответственно, при суммировании сигналов, отводимых от первого и второго блоков 140А, 140В первичного разделителя, сигнал, выводимый блоком 124 сумматора, имеет ту же интенсивность, что и интенсивность обоих сигналов Sa, Sb. Кроме того, поскольку блок сумматора 124 генерирует векторную сумму двух сигналов Sa, Sb и фаза сигналов Sa, Sb отрегулирована дифференциально (т. е. с противоположными полярностями), то фаза сигналов, выводимых блоком 124 сумматора по линии 108, представляет собой среднее значение фаз Sa и Sb. Кроме того, блок 124 сумматора вырабатывает среднее значение фаз сигналов Sa и Sb без какой-либо потери мощности сигнала для подгруппы 100В.
Блок 124 сумматора подает сигнал векторной суммы по линии 108 высокочастотной связи на вторую распределительную схему 151N2, которая в свою очередь подает сигналы на каждый из элементов Е5-Е8 через связанные средства 150Е5-150Е8 регулировки фазы. Такая конфигурация обеспечивает дополнительное преимущество, заключающееся в линейности фазовой характеристики, так как выходной сигнал от блока 124 сумматора представляет собой среднюю фазу сигнала на входных линиях 120, 122 высокочастотной связи. Таким образом, суммарная мощность, подаваемая на элементы центральной подрешетки 100В (элементы Е5-Е8), остается, по существу, постоянной с разностью фаз между линиями 120, 122 высокочастотной связи.
На фиг. 7 изображен практический вариант выполнения антенного узла с тройными подгруппами по фиг. 6, чтобы более подробно показать распределительные схемы 151N1, 151N2, 151N3. Первый и второй блоки 140А, 140В разделителя питаются по соответствующей одной из входных линий 120, 122 высокочастотной связи, и каждый из блоков 140А, 140В разделителя вырабатывает два выходных сигнала. Первый выходной сигнал от первого блока 140А разделителя подается на блок 170А фазового сдвига первой распределительной схемы 151N1 для приложения дополнительного фазового сдвига, обычно от -45 до -60 градусов, к сигналу от блока 140А первичного разделителя. Выходной сигнал с фазовым сдвигом подается на блок 116В разделителя, образующий часть устройства 116А, 116В, 116С разделителя вида, показанного на фиг. 4. Устройство 116А, 116В, 116С разделителя подает выходные сигналы на средства 150Е1-150Е4 регулировки фазы соответственно, так что каждый элемент принимает сигнал, по существу, одинаковой интенсивности.
Второй выходной сигнал блока 140А разделителя подается на дополнительный блок 172А разделителя, образующий часть второй распределительной схемы 151N2, которая разделяет входной сигнал, который она принимает, на первый выходной сигнал, который подается на один вход (А) первого блока 174А квадратурного гибридного сумматора, и второй выходной сигнал, который подается на вход (А) второго блока 174В квадратурного сумматора.
Второй блок 140В разделителя подает первый выходной сигнал на дополнительный блок 172В разделителя, образующий часть второй распределительной схемы 151N2. Дополнительный блок 172В разделителя подает выходной сигнал на второй вход (В) первого блока 174А квадратурного сумматора и на второй вход (В) второго блока 174В квадратурного сумматора.
С первого и второго блоков 174А, 174В квадратурного сумматора подаются первый и второй выходные сигналы на два элемента центральной подрешетки 100В: первый блок 174А квадратурного сумматора подает сигналы на элементы Е5 и Е6, и второй блок 174В квадратурного сумматора подает сигналы на элементы Е7 и Е8. Первый и второй блоки 174А, 174В квадратурного сумматора обеспечивают фазу сигналов, подаваемых на элементы Е5-Е8, представляющую собой среднюю величину фазы сигналов на входных линиях 120, 122 высокочастотной связи. Например, когда мощность, подаваемая на элемент Е5, уменьшается, то мощность, подаваемая на элемент Е6, увеличивается, так что суммарная мощность, подаваемая на элементы Е5, Е6, остается, по существу, постоянной.
Второй выходной сигнал от второго блока 140В разделителя пропускается через второй блок 170В фазового сдвига, образующий часть третьей распределительной схемы 151N3. Второй блок 170В фазового сдвига прикладывает фазовый сдвиг +45 градусов (т.е. с полярностью, противоположной полярности блоку 170А фазового сдвига) к блоку 118В разделителя. Блок 118В разделителя образует часть устройства 118А, 118В, 118С разделителя вида, показанного на фиг. 4, и подает выходные сигналы на средства 150Е9-150Е12 регулировки фазы соответственно элементов Е9-Е12 нижней подрешетки 100С.
На фиг. 8 представлен альтернативный вариант выполнения изобретения, в котором антенный узел включает в себя пять подрешеток 100А-100Е (т.е. узел с упятеренными подрешетками), в котором третья и четвертая подрешетки 100В, 100D получаются посредством пространственного перекрывания элементов узла с тремя подрешетками, такого как показанный на фиг. 6, причем детали, аналогичные деталям, показанным на фиг. 6, обозначены одинаковыми позициями. Входные линии 120, 122 высокочастотной связи подают сигналы Sa, Sb соответственно на первый и второй блоки 140А, 140В первичного разделителя соответственно. Первый блок 140А разделителя подает первый выходной сигнал на первую распределительную схему 151N1 по выходной линии 106 высокочастотной связи, и второй выходной сигнал - на блок 124 сумматора. Второй блок 140В разделителя подает первый выходной сигнал на третью распределительную схему 151N3 по выходной линии 110 высокочастотной связи, и второй выходной сигнал - на блок 124 сумматора. Блок 124 сумматора подает выходной сигнал по выходной линии 108 высокочастотной связи на вторую распределительную схему 151N2.
Каждая распределительная схема 151N1, 151N2, 151N3 вырабатывает четыре выходных сигнала, каждый из которых через связанное устройство 150Е1-150Е12 регулировки фазы подается на элемент решетки. Один из выходных сигналов 180А от первой распределительной схемы 151N1 пространственно перекрывается с одним из выходных сигналов 180В от второй распределительной схемы 151N2 посредством суммирования сигналов в воздухе для подачи сигналов на элементы Е4 и Е5 подрешетки 100В. Аналогично, один из выходных сигналов 180С от второй распределительной схемы 151N2 пространственно перекрывается с одним из выходных сигналов 180D от третьей распределительной схемы 151N3 посредством суммирования в воздухе для подачи сигналов на элементы Е8 и Е9 подрешетки 100D. Конфигурация на фиг. 8 обеспечивает дополнительное улучшение линейности фазовой характеристики элементов Е1-Е12 и дополнительно улучшает коэффициент усиления по направлению максимума диаграммы направленности и подавление боковых лепестков, когда наклон в узле осуществляется электрически.
На практике распределительная схема 151N1 согласно фиг. 8 может включать в себя устройство 116А, 116В, 116С разделителя и блок 170А фазового сдвига варианта выполнения по фиг. 7, и третья распределительная схема 151N3 может включать в себя устройство 118А, 118В, 118С разделителя и блок 170В фазового сдвига варианта выполнения по фиг. 7. Блок 24 сумматора и вторая распределительная схема 151N2 могут включать в себя первый и второй блоки 172А, 172В разделителя и первый и второй блоки 174А, 174В квадратурного сумматора, как выше описано с ссылкой на фиг. 7.
На фиг. 9 и 10 изображено известное устройство для механической регулировки фазы сигнала, подаваемого на каждый элемент в антенном узле. Любой из этих вариантов может быть использован в антенных узлах по фиг. 3-8 в качестве устройств 150Е1-150Еn регулировки фазы (где n - количество элементов в антенном узле).
На фиг. 9 механическая регулировка фазы сигнала на линии передачи выполняется посредством линейного перемещения элемента из диэлектрического материала под линией передачи. Устройство 601 механической регулировки включает в себя пластину 602 основания, по которой проходит линия Т передачи на антенный элемент, и в основном плоскую пластину из диэлектрического материала 604, расположенную между пластиной 602 основания и линией Т передачи. Пластина из диэлектрического материала 604, как правило, называемая «клином», в основном имеет прямоугольную форму с треугольным или V-образным сегментом 606, вырезанным на ее одной продольной кромке. Клин 604 может перемещаться относительно пластины 602 основания и линии Т передачи в направлении, показанном стрелкой А, в основном перпендикулярно линии Т передачи. Вследствие формы клина его линейное перемещение 604 вызывает введение большего или меньшего количества диэлектрического материала между линией передачи и пластиной 602 основания, таким образом вызывая сдвиг скорости распространения и, следовательно, фазы любого сигнала на линии Т передачи на величину, зависимую от линейного положения клина. Такое линейное перемещение обычно осуществляется посредством линейного привода в виде сервопреобразователя или другого преобразователя движения.
Величина фазового сдвига, прикладываемого к сигналу на линии Т передачи, устанавливается положением клина 604 под линией Т передачи и «углом клина», внутренним углом V-образного выреза в клине.
На фиг. 10 изображено механическое устройство регулировки фазы, ссылка на который обозначена позицией 701, которое служит для сдвига временной задержки передачи, и, следовательно, фазы сигнала на линии передачи посредством поворота перемещаемого отрезка линии передачи, соединенного емкостной связью с неподвижным отрезком линии. Устройство 701 включает в себя пластину 702 основания, на верхней части которой находится слой диэлектрического материала 704. Неподвижный отрезок линии Т передачи образует линию передачи с пластиной 702 основания и диэлектрическим слоем 704. Линия передачи является прерывистой и образует две части линии передачи Т1, Т2, причем первая часть Т1 проходит по диэлектрическому слою 704, образуя кольцевой квадрант круга, имеющего радиус R, и вторая часть Т2 проходит по диэлектрическому слою 704, образуя кольцевой квадрант круга, имеющего радиус r.
Плоский диск из диэлектрического материала 706 расположен над линией Т передачи и поворачивается относительно нее вокруг оси, коаксиальной с центром окружности, определяемой первой и второй частями линии передачи Т1, Т2. Диэлектрический диск 706 имеет U-образный отрезок линии U передачи, имеющий первое плечо U1, определяющее кольцевой квадрант круга, имеющего радиус R, и второе плечо U2, определяющее кольцевой квадрант круга, имеющего радиус r.
Линии Т, U передачи связаны вместе посредством диэлектрического диска 706, и регулировка фазы сигнала на линии передачи Т может выполняться посредством поворота диэлектрического диска 706, регулируя положение линии U передачи относительно линии Т передачи. По мере того как диск поворачивается на 90°, изменяется связь между двумя линиями передачи и, таким образом, эффективный отрезок линии передачи на антенный элемент, сдвигая фазу сигнала, передаваемого по линии передачи.
Хотя это не показано на фиг. 10, можно использовать устройство по фиг. 10 для управления фазой более чем одним антенным элементом. Например, для такого устройства управления фазой сигналов на двух отдельных линиях передачи второе устройство линий Т, U передачи может быть расположено в противоположном квадранте диэлектрического диска 706. Фазовый сдвиг, прикладываемый к каждому антенному элементу, или каждой подгруппе элементов, может устанавливаться либо посредством радиуса линии Т, U передачи на каждом диске, либо механической связью между линиями передачи, либо посредством обоих средств.
На фиг. 11 изображен альтернативный вариант выполнения изобретения, в котором устройство блоков разделителя представляет собой так называемую конфигурацию «генеалогического дерева», которая позволяет подавать сигналы с одинаковой интенсивностью на каждый элемент в узле. Такая конфигурация подходит в тех случаях, когда предусмотрена регулировка фазы индивидуальных антенных элементов, так как квадратично-косинусоидальное распределение напряжения не является необходимым для максимизирования коэффициента усиления по направлению максимума диаграммы направленности.
В этом конкретном варианте выполнения антенный узел состоит из восьми элементов Е1-Е8; причем верхняя подрешетка 100А содержит элементы Е1-Е3, центральная подрешетка 100В содержит элементы Е4 и Е5, и нижняя подрешетка 100С содержит элементы Е6-Е8 (т.е. система с тройными подрешетками). Удаленная регулировка угла электрического наклона антенного узла выполняется посредством сервоуправления механическим устройством регулировки фазы в комбинации с дифференциальным фазовым сдвигом, прикладываемым электрическим средством к сигналам, подаваемым на антенные элементы.
Блок 104 управления базовой станции, содержащий блок 125 входного разделителя/сумматора, РЧ-порт 126 и первый и второй регуляторы 132, 134 фазы (ни один из которых не показан), подает первый и второй сигналы Sa, Sb с фазовым сдвигом на входные порты 112, 114 по первой и второй фидерным линиям 136, 138 соответственно. Входные порты 112, 114 подают сигналы на входные линии 120, 122 высокочастотной связи соответственно. Сигналы Sa, Sb с фазовым сдвигом на входных линиях 120, 122 высокочастотной связи подаются на первый и второй блоки 116, 118 первичного разделителя соответственно. Блоки разделителя расположены так, что каждый выход первого и второго блоков 116, 118 первичного разделителя соединен со входом соответствующего блока разделителя во втором ряду блоков 116А, 116В, 118А, 118В разделителя.
Два выхода блока 116А разделителя соединены с антенными элементами Е1 и Е2 соответственно через первое устройство D1 регулировки фазы, аналогичное тому, которое показано на фиг.10. Первый выход блока 116В разделителя соединен с антенным элементом Е3 через второе устройство D2 регулировки фазы. Второй выход блока 116В разделителя соединен с первым входом блока 124 сумматора, как и первый выход блока 118А разделителя. Блок 124 сумматора имеет два выхода, каждый из которых соединен с элементами Е4 и Е5 через второе и третье устройства D2, D3 регулировки фазы соответственно. Второй выход блока 118А разделителя соединен с элементом Е6 через третье устройство D3 регулировки фазы, тогда как оба выхода блока 118В разделителя соединены с элементами Е7, Е8 соответственно через четвертое устройство D4 регулировки фазы.
На фиг. 11 поворот дисков в устройствах D1-D4 регулировки фазы выполняется посредством линейного перемещения приводного рычага 200, установленного с возможностью поворота и несимметрично относительно центра на каждом поворачивающемся диске 706 механических устройств 701 регулировки фазы. Линейное перемещение приводного рычага 200 может выполняться, например, посредством серводвигателя 101, который управляется посредством сервоконтроллера 103. Кабель 206 управления может быть любой требуемой длины, позволяя выполнять управление серводвигателем 103 из положения, которое удалено от антенного узла 100. Устройства D1-D4 регулировки фазы могут быть сконфигурированы так, что перемещение соответствующих дисков через единственную контрольную точку приводит, по существу, к одинаковой степени поворота каждого диска. Однако различные величины фазового сдвига могут быть приложены к сигналам на каждый антенный элемент в зависимости от связи между линиями Т, U передачи в каждом механизме регулировки фазы.
На фиг. 12 изображен вариант выполнения с тройными подрешетками антенной системы, в которой механическое устройство 601 регулировки фазы, подсоединенное к каждому антенному элементу Е1-Е8, представляет собой механизм, аналогичный тому, который показан на фиг. 9, и в котором увеличенное количество механических устройств регулировки необходимо для осуществления индивидуального механического наклона каждого элемента Е1-Е8. Другими словами, вариант выполнения на фиг. 12 отличается от варианта выполнения по фиг. 11 тем, что существует независимый отдельный перемещаемый диэлектрический элемент, связанный с каждым элементом Е1-Е8. Как было показано выше, предусмотрены серводвигатель 101 и сервоконтроллер 103, и снова дистанционная регулировка угла электрического наклона антенного узла 100 выполняется посредством сервоуправления механическими устройствами 601 регулировки фазы по кабелю 206 управления в комбинации с дифференциальным фазовым сдвигом, прикладываемым к сигналам Sa, Sb, подаваемым на антенные элементы Е1-Е8.
Фаза сигналов, подаваемых на каждый элемент Е1-Е8, управляется посредством линейного перемещения диэлектрического клина в каждом механизме, каждый из которых соединен с приводным рычагом 200. Необходимо заметить, что устройства регулировки фазы, подсоединенные к нижним четырем элементам Е5-Е8, противоположны по сравнению с устройствами, подсоединенными к верхним четырем элементам Е1-Е4. Следовательно, увеличение задержки (отрицательный фазовый сдвиг), приложенной к сигналам, подаваемым на элементы Е1-Е4, вызывает уменьшение задержки (положительный фазовый сдвиг), подлежащей прикладыванию к сигналам, подаваемым на элементы Е5-Е8.
Для того чтобы сохранить максимальный коэффициент усиления по направлению максимума диаграммы направленности и управление уровнями боковых лепестков при изменении угла электрического наклона антенного узла, каждый антенный элемент может потребовать различную величину задержки для данного перемещения приводного рычага 200. В линейном механическом устройстве регулировки фазы это может выполняться посредством изменения угла V-образного сегмента 606 клина 604 (как показано на фиг. 9).
Представляется понятным, что поворачивающееся механическое устройство регулировки фазы по фиг. 10 может быть использовано вместо линейных механических устройств 600 регулировки фазы на фиг. 12. Используя поворачивающиеся механические устройства регулировки фазы по фиг. 10, различная величина задержки для данного перемещения приводного рычага 200 может достигаться посредством использования различных радиусов для линии передачи, установленной на каждом поворачивающемся диске.
Хотя устройство блоков 116А-116С, 118А-118С разделителя и блока 124 сумматора на фиг. 12 отлично от устройства блоков, описанных ранее, из вышеприведенного описания очевидно, как это устройство распределяет интенсивность сигнала по элементам Е1-Е8.
На фиг. 13 показан еще один вариант выполнения, иллюстрирующий, каким образом система по настоящему изобретению может быть использована с антенным узлом двойной полярности. Использование антенного узла двойной полярности общеизвестно и распространено в телекоммуникационных системах. В этом варианте выполнения антенный узел включает в себя набор из четырех скрещенных дипольных элементов С1-С4, расположенных в первой решетке из четырех элементов под углом +45° к вертикали и во второй решетке из четырех элементов под углом -45° к вертикали. Первая и вторая решетки эффективно электрически изолированы с индивидуальными РЧ-фидерами 1110, 1112, подаваемыми на каждую решетку. Первая и вторая решетки совместно используют общий признак, что механические устройства регулировки фазы/разделителя (ссылки на которые в основном обозначаются позициями 1114 и 1116) на каждый индивидуальный элемент (где присутствует) регулируются при помощи общего сервомеханизма, так что как первая, так и вторая решетка имеют одинаковый угол электрического наклона. Серводвигатель 101 управляется посредством сервоконтроллера 103, который сообщается с серводвигателем 101 по кабелю 206 управления.
Представляется понятным, что средство, посредством которого перемещается приводной рычаг 200 для механических устройств 601, 701, 1114, 1116 регулировки фазы, необязательно должен иметь вид устройства 101, 103 сервоуправления, но может быть выполнен в виде альтернативного устройства, которое действует из положения, которое удалено от приводного рычага 200.
Также понятно, что настоящее изобретение обеспечивает эффективный способ дистанционной регулировки электрического наклона антенны в виде фазированной решетки. Например, можно регулировать электрический наклон из базовой станции, расположенной у основания мачты антенны, на которой установлены антенные элементы, или из положения, которое находится на расстоянии нескольких миль от мачты антенны, так как нет необходимости в ручной регулировке самих антенных элементов. Кроме того, изобретение позволяет производить независимый фазовый сдвиг сигналов в индивидуальных подрешетках в антенном узле и автоматическую дифференциальную регулировку фазы сигналов в центральной подрешетке, позволяя использовать только два РЧ-входа. Более того, фазовый сдвиг сигналов в верхней и нижней подрешетках может производиться посредством изменения наклона в градусах, которые необязательно равны по значению. Векторное суммирование сигналов, подаваемых на внешние подрешетки посредством блока 124 сумматора, позволяет всегда производить сдвиг сигналов, подаваемых на центральную подрешетку, к их средней величине, если это требуется.
Объединенное механическое и электрическое управление электрическим наклоном антенной системы позволяет генерировать оптимальную диаграмму направленности луча для антенной системы с максимальным коэффициентом усиления по направлению максимума диаграммы направленности и более низкими уровнями боковых лепестков, и, кроме того, такое управление может выполняться из положения, которое удалено от антенного узла, например, на расстояние нескольких километров от основания мачты антенны. Рабочие характеристики такой антенной системы существенно улучшены по сравнению с существующими системами.
Представляется понятным, что, хотя выше были раскрыты различные варианты выполнения изобретения с различным количеством антенных элементов (например, Е1-Е8 на фиг. 5, Е1-Е12 на фиг. 6), любой из вариантов выполнения может быть адаптирован таким образом, чтобы включать в себя то или иное количество антенных элементов, сгруппированных и позиционируемых в подрешетки с сохранением вышеупомянутых преимуществ.
Хотя механизм 103 сервоуправления для дополнительных механических устройств 150Е1-150Еn регулировки фазы показан как образующий часть блока 104 управления, данная конфигурация не является обязательной. Сервоконтроллер 103 также может быть расположен на удалении от антенного узла 100, как и блок 104 управления, но он необязательно должен располагаться в этом же месте.
По всему описанию изобретения ссылка на «электрический наклон» должна рассматриваться как означающая регулировку диаграммы направленности, передаваемой и/или принимаемой от антенного узла, без физического перемещения обтекателя антенны, или антенных элементов, но вместо этого осуществляемую посредством регулировки фазы сигналов, подаваемых на один или несколько антенных элементов. Вместе с тем, электрический наклон может регулироваться устройством, имеющим как механические, так и электрические элементы регулировки, как показано, например, на фиг. 11.
1. Антенная система (100), содержащая антенный узел (102), имеющий угол электрического наклона, множество антенных элементов (Е1-Е8), два порта (112, 114) антенного узла, схему (151N1, 151N2) маршрутизации сигналов, предназначенную для маршрутизации сигналов между портами антенного узла и антенными элементами (Е1-Е8), и соответствующий сигнальный фидер (136, 138) для направления сигналов между каждым портом (112, 114) антенного узла и блоком (104) управления наклоном антенны, расположенным дистанционно относительно антенного узла (102), и устройство (132, 134) для изменяемого сдвига фазы, включенное в блок (104) управления наклоном антенны и предназначенное для электрического управления разностью фаз между сигналами, проходящими через различные сигнальные фидеры (136, 138) и порты (112, 114) антенного узла, для управления углом электрического наклона антенного узла (102).
2. Антенная система по п.1, содержащая средство (101, 150Е1-150Е8) механической регулировки фазы для дополнительной регулировки фазы сигналов антенных элементов, при этом блок (104) управления наклоном антенны размещен на основании держателя антенны, предназначенного для крепления антенного узла (102).
3. Антенная система по п.1, в которой блок (104) управления наклоном антенны содержит единственный порт (126) для приема входного сигнала системы (100) и средство (125) для разделения входного сигнала на первый и второй сигналы, предназначенные для подачи на первое или второе средство (132, 134) регулировки фазы соответственно.
4. Антенная система по п.1, в которой антенный узел (102) выполнен, по меньшей мере, с двумя подрешетками (100А, 100В), каждая из которых содержит один или более антенных элементов (Е1-Е8), при этом блок (104) управления наклоном антенны содержит первое и второе средства (132, 134) регулировки фазы, которые предназначены для регулировки фаз сигналов, подаваемых на подрешетки (100А, 100В), и соединены с соответствующими подрешетками (100А, 100В) через соответствующие сигнальные фидеры (136, 138) и порты антенного узла.
5. Антенная система по п.1, выполненная, по меньшей мере, с двумя подрешетками (100А, 100В), каждая из которых содержит один или более антенных элементов (Е1-Е8), и дополнительно содержащая средство (124) для автоматического управления фазой сигналов, подаваемых на одну подрешетку (100В), в зависимости от фазы сигналов, подаваемых на другую подрешетку (100А).
6. Антенная система по п.1, в которой антенные элементы (Е1-Е8) расположены в первой, второй и третьей подрешетках (100А, 100В, 100С) и блок (104) управления наклоном антенны содержит первое устройство (132) управления для управления фазой сигналов, подаваемых на первую подрешетку (100А), третье устройство (134) управления для управления фазой сигналов, подаваемых на третью подрешетку (100С), и второе устройство (124) управления для автоматического управления фазой сигналов, подаваемых на вторую подрешетку (100В), в соответствии с заранее заданной функцией от фазы сигналов, подаваемых на первую и третью подрешетки (100А, 100С).
7. Антенная система по п.6, в которой второе устройство управления содержит блок (124) сумматора для приема первого входного сигнала, имеющего фазу сигналов, подаваемых на первую подрешетку (100А), и второго входного сигнала, имеющего фазу сигналов, подаваемых на третью подрешетку (100С), и для подачи на вторую подрешетку (100В) выходного сигнала с фазой, определенной в соответствии с заранее заданной функцией.
8. Антенная система по п.6, в которой упомянутая заранее заданная функция представляет собой векторную сумму фаз сигналов, подаваемых на первую и третью подрешетки (100А, 100С).
9. Антенная система по п.6, в которой второе устройство (124) управления содержит, по меньшей мере, один блок (174А, 174В) квадратурного сумматора для приема первого входного сигнала, имеющего фазу сигналов, подаваемых на первую подрешетку (100А), и второго входного сигнала, имеющего фазу сигналов, подаваемых на третью подрешетку (100С), и для выдачи первого выходного сигнала на один элемент второй подрешетки (100В) и второго выходного сигнала на другой элемент второй подрешетки (100В), причем первый и второй выходные сигналы зависят от заранее заданной функции фазы первого и второго входных сигналов.
10. Антенная система по п.9, в которой блок (174А, 174В) квадратурного сумматора выполнен с возможностью суммирования первого и второго входных сигналов таким образом, что фаза выходных сигналов, выдаваемых блоком (174А, 174В) квадратурного сумматора, представляет собой среднее значение фазы первого и второго входных сигналов.
11. Антенная система по п.1, в которой блок (104) управления наклоном антенны содержит первое устройство (132) управления для управления фазой или регулировки фазы сигналов, подаваемых на первую подрешетку (100А), на первую величину и второе устройство (134) управления для управления фазой или регулировки фазы сигналов, подаваемых на вторую подрешетку (100В), на вторую величину, причем амплитуда и/или полярность второй величины отличается от амплитуды и/или полярности первой величины.
12. Антенная система по п.1, в которой антенный узел (102) выполнен, по меньшей мере, с двумя подрешетками (100А, 100В), каждая из которых содержит один или более антенных элементов (Е1-Е8), при этом схема маршрутизации сигналов содержит соответствующее устройство (151N1, 151N2) распределения сигналов, связанное с каждой подрешеткой (100А, 100В), для разделения и распределения сигналов по антенным элементам (Е1-Е4, Е5-Е8) соответствующей подрешетки.
13. Антенная система по п.12, в которой каждое устройство (151N1-151N2) распределения сигнала содержит устройство (116А-116С, 118А-118С) разделителя, обеспечивающее распределение сигналов по упомянутым подрешеткам (100А, 100В), по существу, с одинаковой мощностью.
14. Антенная система по п.12, в которой первое устройство (151N1) распределения сигналов соединено с первой группой антенных элементов (Е1-Е3, Е5), которые частично перекрывают в пространстве вторую группу антенных элементов (Е4, Е6-Е8), соединенную с вторым устройством (151N2) распределения сигналов.
15. Антенная система по п.1, содержащая средство (101, 150Е1-150Е8) механической регулировки фазы, предназначенное для регулировки фазы сигналов антенных элементов и содержащее решетку перемещаемых диэлектрических элементов (604, 706).
16. Антенная система по п.15, в которой каждый диэлектрический элемент (604,706) связан с соответствующим антенным элементом (Е1-Е8).
17. Антенная система по п.16, в которой каждый антенный элемент (Е1-Е8) имеет соответствующую входную линию (Т) передачи и каждый диэлектрический элемент (706) выполнен с возможностью линейного перемещения или поворота относительно соответствующей входной линии (Т) передачи для сдвига фазы сигналов, подаваемых на соответствующий антенный элемент (Е1-Е2) по упомянутой линии (Т) передачи.
