Система фазированной антенной решетки с изменяемым электрическим наклоном
Изобретение относится к антенной технике. Техническим результатом является обеспечение изменяемого угла электрического наклона и подавление боковых лепестков. Система фазированной антенной решетки с изменяемым электрическим наклоном содержит антенную решетку (60), делитель (44), который делит радиочастотный (RF) сигнал несущей на два сигнала, между которыми фазовращатель (46) вносит изменяемый фазовый сдвиг, преобразователь (50) фазы в мощность преобразует сигналы с фазовыми сдвигами в сигналы, мощность которых зависит от фазового сдвига, делители (52, 54) мощности делят преобразованные сигналы на два набора разделенных сигналов, общее число которых равно числу антенных элементов решетки, преобразователи (56) мощности в фазу объединяют пары разделенных сигналов с различных делителей (52, 54) мощности: это обеспечивает векторные суммарные и разностные компоненты с подходящими фазами для подачи на соответствующую пару элементов решетки, расположенных на одинаковом расстоянии от центра решетки, настройка фазового сдвига, которую обеспечивает фазовращатель (46), изменяет угол электрического наклона антенной решетки (60). 2 н. и 21 з.п. ф-лы, 14 ил., 3 табл.
Настоящее изобретение относится к системе фазированной антенной решетки с изменяемым электрическим наклоном. Антенная система пригодна для использования во многих телекоммуникационных системах, но находит конкретное применение в сотовых мобильных радиосетях, обычно называемых сети мобильной телефонной связи. Более конкретно, антенная система изобретения может быть использована в сетях мобильной телефонной связи второго поколения (2G), таких как система стандарта GSM, и в сетях мобильной телефонной связи третьего поколения (3G), таких как Универсальная Мобильная Телефонная система (UMTS), но не ограничиваясь этим.
Операторы сотовых сетей мобильной радиосвязи обычно используют свои собственные базовые станции, каждая из которых имеет, по меньшей мере, одну антенну. В сотовой сети мобильной радиосвязи антенны являются основным фактором в определении зоны покрытия, в которой может иметь место связь с базовой станцией. Зона покрытия обычно делится на некоторое количество перекрывающихся сотовых ячеек, причем каждая ячейка связана с соответствующей антенной и базовой станцией.
Каждая сотовая ячейка содержит базовую станцию для радиосвязи со всеми остальными мобильными радиостанциями в этой ячейке. Базовые станции взаимосвязаны при помощи другого средства связи, обычно, стационарных наземных линий связи, расположенных в сетчатой или сотовой структуре, позволяющей мобильным радиостанциям в зоне покрытия ячейки поддерживать связь друг с другом, а также с телефонной сетью общего пользования вне сотовой сети мобильной радиосвязи.
Известны сотовые сети мобильной радиосвязи, которые используют фазированные антенные решетки. Такая антенна содержит решетку, обычно из восьми или более индивидуальных антенных элементов, таких как диполи или микрополосковые излучатели. Антенна имеет диаграмму направленности, содержащую главный лепесток и боковые лепестки. Центр главного лепестка является направлением максимальной чувствительности антенны в режиме приема и направлением ее главного выходного радиолуча в режиме передачи. Хорошо известным свойством фазированной антенной решетки является то, что если сигналы, принятые антенным элементам, задерживаются на время задержки, которое изменяется с изменением расстояния от элемента до края решетки, то главный радиолуч антенны управляется по положению в направлении возрастания временной задержки. Угол между центрами главного радиолуча, соответствующими нулевой и ненулевой временным задержкам, то есть угол наклона зависит от скорости изменения временной задержки в зависимости от расстояния вдоль решетки.
Временная задержка может быть также реализована изменением фазы сигнала, отсюда, термин "фазированная антенная решетка". Главный луч диаграммы направленности антенны, следовательно, может быть изменен настройкой фазового соотношения между сигналами, подаваемыми на антенные элементы. Это позволяет управлять лучом для изменения зоны покрытия антенны.
Операторы фазированных антенных решеток в сотовых сетях мобильной радиосвязи имеют потребность настраивать свои вертикальные диаграммы направленности антенн, то есть сечения диаграмм направленности в вертикальной плоскости. Это необходимо, чтобы изменять вертикальный угол главного луча антенны, также известный как «наклон», чтобы настраивать зону покрытия антенны. Такая настройка может потребоваться, например, для компенсации изменений в структуре сотовой сети или количестве базовых станций или антенн. Известны и механическая и электрическая настройка угла наклона антенны, используемые или по отдельности или в совокупности.
Угол наклона антенны может настраиваться механически перемещением антенных элементов или их кожуха (обтекателя): это определяется как настройка угла «механического наклона». Как описано ранее, угол наклона антенны может быть настроен электрически изменением временной задержки или фазы сигналов, подаваемых на каждый элемент антенной решетки (или группу элементов) или принимаемых им без физического перемещения: это определяется как настройка угла «электрического наклона».
При использовании в сотовой сети мобильной радиосвязи вертикальная диаграмма направленности фазированной антенной решетки имеет ряд существенных требований:
1) высокое усиление на линии визирования;
2) уровень первого верхнего бокового лепестка достаточно низкий, чтобы избежать взаимных помех с мобильными станциями, использующими базовую станцию в другой сети;
3) уровень первого нижнего бокового лепестка достаточно высокий, чтобы обеспечить осуществление связи в непосредственной близости от антенны.
Эти требования взаимно противоречивы, например, повышение усиления на линии визирования увеличивает уровень боковых лепестков. Обнаружено, что уровень первого верхнего бокового лепестка относительно уровня на линии визирования, равный -18 дБ, обеспечивает удобный компромисс по эффективности и системы в целом.
Результат настройки угла механического наклона или угла электрического наклона заключается в перемещении линии визирования так, чтобы в случае решетки, расположенной в вертикальной плоскости, она была ориентирована либо выше, либо ниже горизонтальной плоскости и, таким образом изменяла зону покрытия антенны. Желательно иметь возможность изменять и механический наклон и электрический наклон антенны сотовой базовой радиостанции: это позволяет добиться максимальной гибкости оптимизации покрытия сотовой ячейки, так как эти формы наклона имеют различное влияние на обеспечиваемое антенной покрытие наземной зоны, а также на другие антенны в непосредственной близости от станции. Также эффективность работы повышается, если угол электрического наклона может быть настроен дистанционно. В то время как угол механического наклона антенны может регулироваться перемещением ее обтекателя, изменение ее угла электрического наклона требует дополнительных электронных схем, что увеличивает стоимость антенны и ее сложность. Кроме того, если одна антенна совместно используется несколькими операторами, предпочтительно обеспечить различные углы электрического наклона для каждого оператора.
Необходимость индивидуального угла электрического наклона совместно используемой антенны до настоящего времени имела следствием компромиссы в характеристиках антенны. Усиление на линии визирования уменьшается пропорционально косинусу угла наклона вследствие уменьшения эффективной апертуры антенны (это является неизбежным и имеет место во всех конструкциях антенн). Дальнейшее уменьшение усиления на линии визирования может быть обусловлено способом, используемым для изменения угла наклона.
Известен способ локальной или удаленной регулировки угла электрического наклона фазированной антенной решетки, описанный в R.C Johnson, Antenna Engineers Handbook, 3-е изд. 1993, McGraw Hill, ISBN 0-07-032381-X, гл. 20, фиг.20-2. В этом способе радиочастотный (RF) сигнал несущей передатчика подается на антенну и распределяется по излучающим антенным элементам. Каждый антенный элемент имеет соответствующий, связанный с ним фазовращатель так, что фаза сигнала может настраиваться как функция расстояния вдоль антенны для изменения угла электрического наклона антенны. Распределение мощности по антенным элементам, когда антенна не наклонена, осуществляется с учетом установки уровня боковых лепестков и усиления на линии визирования. Оптимальное управление углом наклона достигается, когда фазовый фронт регулируется для всех углов, чтобы уровень боковых лепестков не увеличивался в диапазоне углов наклона. Угол электрического наклона, если требуется, может настраиваться дистанционно с использованием сервомеханизма для управления фазовращателями.
Эта антенна, используемая в известном способе, имеет ряд недостатков. Фазовращатель требуется для каждого антенного элемента. Стоимость антенны высока из-за количества требуемых фазовращателей. Уменьшение стоимости за счет применения устройств задержки к группам антенных элементов вместо отдельных элементов увеличивает уровень боковых лепестков. Для настройки временных задержек используется механическая связь устройств задержки, но трудно сделать это правильно; кроме того, требуются механические связи и механизмы, которые имеют следствием неоптимальное распределение временных задержек. Уровень верхнего бокового лепестка увеличивается, когда антенна наклонена вниз, таким образом, вызывая потенциальный источник помех для мобильных станций, использующих другие базовые станции. Если антенна совместно используется некоторым количеством операторов, операторы имеют общий угол электрического наклона вместо различных углов. Наконец, если антенна используется в коммуникационных системах, имеющих (как правило) восходящую линию связи и нисходящую линию связи на различных частотах (система дуплексирования с частотным разделением), угол электрического наклона при передаче отличается от угла электрического наклона при приеме.
Заявки PCT/GB2002/004166 и PCT/GB2002/004930 описывают локальную и дистанционную настройку угла электрического наклона антенны посредством разности фаз между парой фидеров сигналов, соединенных с антенной.
Задачей настоящего изобретения является создание альтернативной формы системы фазированной антенной решетки.
Настоящее изобретение обеспечивает систему фазированной антенной решетки с изменяемым электрическим наклоном, содержащую решетку антенных элементов, отличающуюся тем, что она содержит:
a) делитель для деления радиочастотного (RF) сигнала несущей на первый и второй сигналы,
b) переменный фазовращатель для внесения изменяемого относительного фазового сдвига между первым и вторым сигналами,
c) преобразователь фазы в мощность для преобразования первого и второго сигналов с относительным фазовым сдвигом в сигналы, мощность которых является функцией относительного фазового сдвига,
d) первый и второй делители мощности для деления преобразованных сигналов, по меньшей мере, на два набора разделенных сигналов, причем суммарное количество разделенных сигналов в наборах, по меньшей мере, равно количеству антенных элементов в решетке,
e) преобразователи мощности в фазу для объединения пар разделенных сигналов с различных делителей мощности для получения составляющих векторной суммы и разности с соответствующими фазами для подачи на соответствующие пары антенных элементов, расположенные на одинаковых расстояниях относительно центра решетки.
В своих различных воплощениях изобретение может быть сконфигурировано для обеспечения различных преимуществ, то есть настоящее изобретение:
a) требует только один фазовращатель или устройство временной задержки для одного оператора, чтобы устанавливать угол электрического наклона;
b) может обеспечить хороший уровень подавления боковых лепестков;
c) имеет регулируемый уровень верхнего бокового лепестка при наклоне вниз;
d) может обеспечить различные углы наклона для различных операторов при совместном использовании антенны;
e) может обеспечить или локальное или дистанционное регулирование угла электрического наклона;
f) может быть реализовано с меньшими затратами, чем современные антенны, имеющие сходный уровень эффективности;
g) может иметь угол электрического наклона на частотах передачи, который или равен или отличается от угла электрического наклона на частотах приема, по выбору оператора.
Система, соответствующая изобретению, может иметь нечетное количество антенных элементов, содержащих центральный антенный элемент, размещенный в центре каждой пары антенных элементов, находящихся на одинаковом расстоянии от центра. Система может содержать третий делитель мощности, включенный между преобразователем фазы в мощность и первым или вторым делителем мощности и выполненный с возможностью отвода в центральный элемент доли мощности с преобразователя фазы в мощность.
Преобразователи фазы в мощность и мощности в фазу могут быть комбинациями фазовращателей и 90-градусных или 180-градусных гибридных элементов. Делитель, фазовращатель, преобразователи фазы в мощность и мощности в фазу и делители мощности могут быть расположены вместе с решеткой антенных элементов в виде антенного блока, и блок может иметь один RF входной фидер для подачи мощности от удаленного источника.
Делитель и фазовращатель могут быть альтернативно расположены удаленно от преобразователей фазы в мощность и мощности в фазу, делителей мощности и решетки антенных элементов, которые расположены вместе в виде антенного блока, и блок может иметь двойные RF входные фидеры для подачи мощности от удаленного источника. Они могут быть расположены вместе с удаленным источником для использования оператором при изменении угла электрического наклона.
Система может включать дуплексеры для объединения сигналов, передаваемых от различных операторов, которые совместно используют антенную систему, или разделять сигналы, передаваемые различным операторам. Делители мощности могут быть выполнены с возможностью обеспечения для антенных элементов приема напряжений возбуждения, которые падают от максимума в центре антенны до минимума на концах решетки.
Один делитель мощности может быть выполнен с возможностью обеспечения набора напряжений, которые увеличиваются от минимума до максимума, которые связаны с центром антенной решетки и ее концами соответственно, как это необходимо, чтобы создать прогрессивный фазовый фронт вдоль антенной решетки, причем фазовый фронт, по существу, является линейным по мере того, как угол наклона увеличивается в рабочем диапазоне наклона, как это требуется для приемлемого усиления на линии визирования и подавления боковых лепестков.
В альтернативном аспекте настоящее изобретение обеспечивает способ обеспечения изменяемого электрического наклона в системе фазированной антенной решетки, содержащей решетку антенных элементов, отличающийся тем, что способ включает этапы:
a) делят радиочастотный (RF) сигнал несущей на первый и второй сигналы,
b) вносят изменяемый относительный сдвиг фаз между первым и вторым сигналами,
c) преобразуют первый и второй сигналы с относительным сдвигом фаз в сигналы, мощность которых является функцией относительного сдвига фаз,
d) используют делители мощности для деления преобразованных сигналов, по меньшей мере, на два набора разделенных сигналов, причем суммарное количество разделенных сигналов в наборах, по меньшей мере, равно количеству антенных элементов в решетке,
e) объединяют пары разделенных сигналов с различных делителей мощности для получения составляющих векторной суммы и разности с соответствующими фазами и подают эти составляющие на соответствующие пары антенных элементов, расположенных на одинаковых расстояниях по отношению к центру решетки.
Антенная решетка может иметь нечетное количество антенных элементов (E0-E7L), содержащих центральный антенный элемент (E0), размещенный в центре каждой пары антенных элементов, находящихся на одинаковом расстоянии от центра. Система фазированной антенной решетки может содержать третий делитель мощности, подсоединенный для приема одного из сигналов, мощность которого является функцией относительного фазового сдвига, а способ содержит использование такого делителя для подачи на центральный антенный элемент доли мощности такого сигнала.
Преобразование первого и второго сигналов с относительным фазовым сдвигом и объединение пар разделенных сигналов могут быть реализованы с использованием преобразователей фазы в мощность и мощности в фазу соответственно, содержащих 90-градусные или 180-градусные гибридные элементы связи.
Этапы от a) до e) способа могут быть реализованы с использованием компонентов, расположенных рядом с антенными элементами для образования антенного блока с входом от одного RF входного фидера для подачи мощности от удаленного источника. Альтернативно, этапы a) и b) могут быть реализованы с использованием компонентов, расположенных удаленно от решетки антенных элементов, а этапы от c) до e) реализуются с использованием компонентов, расположенных рядом с решеткой и образующих с ней антенный блок, который имеет двойной RF фидер для подачи мощности от удаленного источника. Этап b) может включать в себя изменение относительного фазового сдвига для изменения угла электрического наклона.
Способ может включать в себя объединение сигналов, поступающих от различных операторов, которые совместно используют антенную систему, или разделение сигналов, передаваемых этим операторам. Способ может включать в себя обеспечение для антенных элементов приема возбуждающего напряжения, которое падает от максимума в центре антенной решетки до минимума на краях решетки.
Этап d) может включать обеспечение для одного набора разделенных сигналов увеличение от минимума до максимума, связанных с центром антенной решетки и ее концами соответственно, чтобы создать прогрессивный фазовый фронт вдоль антенной решетки, причем фазовый фронт по существу является линейным, по мере увеличения угла наклона в рабочем диапазоне наклона, как это необходимо для приемлемого усиления на линии визирования и подавления боковых лепестков.
Изобретение поясняется далее с помощью его вариантов осуществления, которые приведены только в качестве примеров, со ссылкой на чертежи, на которых показано следующее:
Фиг.1 - вертикальная диаграмма направленности фазированной антенной решетки с нулевым и ненулевым углами электрического наклона;
Фиг.2 - фазированная антенная решетка, известная из предшествующего уровня техники, которая имеет настраиваемый угол электрического наклона;
Фиг.3 - блок-схема системы фазированной антенной решетки, соответствующей изобретению, в варианте с одним фидером;
Фиг.4 показывает соотношение между разностью фаз выходного и входного напряжений в преобразователе фазы в мощность, который используется в системе по Фиг.3;
Фиг.5 - то же самое, что на Фиг.4, при замене напряжения на мощность;
Фиг.6 - примеры возможных распределений напряжения на выходе делителя напряжения, который используется в системе по Фиг.3;
Фиг.7 - блок-схема части еще одной системы фазированной антенной решетки, соответствующей изобретению, иллюстрирующая фазовый сдвиг, преобразование фазы в мощность и деление мощности;
Фиг.8 - блок-схема остальной части системы фазированной антенной решетки по Фиг.7, иллюстрирующая преобразование мощности в фазу, фазовый сдвиг и антенные элементы;
Фиг.9 - иллюстрация местоположения, разнесения и фазы возбуждающего сигнала антенных элементов системы по Фиг.7;
Фиг.10 - блок-схема части другой системы фазированной антенной решетки, соответствующей изобретению, иллюстрирующая реализацию с двойным фидером при использовании сдвига фаз, преобразования фазы в мощность и деления мощности с генерацией дополнительно сигнала для центрального антенного элемента;
Фиг.11 - остальная часть системы фазированной антенной решетки по Фиг.10, показывающая антенную решетку с одним центральным антенным элементом (элемент показан не в масштабе);
Фиг.12 - иллюстрация использования изобретения с одним фидером;
Фиг.13 - модификация изобретения, обеспечивающая отличие угла электрического наклона в режиме передачи от угла электрического наклона в режиме приема; и
Фиг.14 - блок-схема другой системы фазированной антенной решетки, соответствующей изобретению, иллюстрирующая совместно используемую множеством пользователей антенну с двойным фидером и возможностью одновременной передачи/приема.
На Фиг.1 показаны вертикальные диаграммы направленности 10a и 10b антенны 12, которая является фазированной решеткой индивидуальных антенных элементов (не показаны). Антенна 12 является плоской, имеет центр 14 и продолжается перпендикулярно плоскости чертежа. VRPs 10a и 10b в указанном порядке соответствуют нулевой и ненулевой временной задержке или фазе сигналов антенных элементов, причем элементы решетки расположены вдоль антенны 12 от края решетки. Они имеют соответствующие главные лепестки 16a, 16b с центральными линиями или «линиями визирования» 18a, 18b, первые верхние боковые лепестки 20a, 20b и первые нижние боковые лепестки 22a, 22b; 18с показывает направление линии визирования для нулевой временной задержки для сравнения с ненулевым эквивалентом 18b. При ссылке без суффикса a или b, например, боковой лепесток 20, подразумевается любая подходящая пара элементов без различия. VRP 10b наклонена (вниз, как проиллюстрировано) относительно VPR 10a, то есть, существует угол - угол наклона - между центральными линиями 18b и 18c главного луча, причем угол имеет величину, зависящую от скорости, с которой временная задержка меняется с расстоянием вдоль антенны 12.
VRP должна удовлетворять ряду критериев: a) высокое усиление на линии визирования; b) первый верхний боковой лепесток 20 должен иметь достаточно низкий уровень, чтобы избежать создание помех мобильным станциям, использующим другую базовую станцию; и c) первый нижний боковой лепесток 22 должен иметь уровень, достаточный для того, чтобы была возможна связь в непосредственной близости от антенны 12. Эти требования взаимно противоречивы, например, увеличение усиления на линии визирования увеличивает уровень боковых лепестков 20, 22. Относительно уровня на линии визирования (длины главного луча 16), обнаружено, что уровень первого верхнего лепестка, равный -18 дБ, обеспечивает удобный компромисс в отношении характеристик всей системы. Усиление на линии визирования уменьшается пропорционально косинусу угла наклона вследствие уменьшения эффективной апертуры антенны. Дальнейшее уменьшение усиления на линии визирования может иметь место в зависимости от того, как изменяется угол наклона.
Результатом регулирования угла механического наклона или угла электрического наклона является перемещение линии визирования таким образом, чтобы ее точки были или выше или ниже горизонтальной плоскости, и, следовательно, это обеспечивает управление зоной покрытия антенны. Для максимальной гибкости использования, сотовая базовая радиостанция предпочтительно имеет и механический наклон и электрический наклон, так как каждый из них имеет различное влияние на покрытие наземной зоны, а также на другие антенны в непосредственной близости. Удобно также, если угол электрического наклона антенны может регулироваться дистанционно. Кроме того, если одна антенна совместно используется несколькими операторами, предпочтительно обеспечить различные углы электрического наклона для каждого оператора, хотя это приводит к снижению эффективности антенны в предшествующем уровне техники.
На Фиг.2 показана система 30 фазированной антенной решетки, известная из предшествующего уровня техники с регулируемым углом электрического наклона. Система 30 содержит вход 32 для радиочастотного (RF) сигнала передатчика, причем вход соединен со схемой 34 распределения мощности. Схема 34 присоединена через фазовращатели Phi.E0, Phi.E1L - Phi.E[n]L и Phi.E1U - Phi.E[n]U в указанном порядке к соответствующим излучающим антенным элементам E0, E1L - E[n]L и E1U - E[n]U системы 30 фазированной антенной решетки: здесь суффиксы U и L показывают верхний и нижний соответственно, n является произвольным положительным целым числом больше единицы, которое определяет размер фазированной антенной решетки, и пунктирные линии, такие как 36, показывающие соответствующий элемент, могут быть добавлены или удалены, если требуется, для любого желаемого размера решетки.
Система 30 фазированной антенной решетки работает следующим образом. RF сигнал передатчика подается на схему 34 распределения мощности через вход 32: схема 34 делит этот сигнал (не обязательно поровну) между фазовращателями Phi.E0, Phi.E1L - Phi.E[n]L и Phi.E1U - Phi.E[n]U, которые смещают фазы соответствующих им разделенных сигналов и передают их с фазовыми сдвигами на связанные с ними антенные элементы E0, E1L - E[n]L и E1U - E[n]U соответственно. Фазовые сдвиги выбираются для получения соответствующего угла электрического наклона. Распределение мощности между антенными элементами E0 и т.д., когда угол наклона равен нулю, выбирается для соответствующей установки уровня боковых лепестков и усиление на линии визирования. Оптимальное управление углом электрического наклона достигается, когда фазовый фронт вдоль решетки элементов E0 и т.д. регулируется для всех углов наклона, чтобы уровень боковых лепестков не увеличивался существенным образом в диапазоне углов наклона. Угол электрического наклона, если требуется, может регулироваться дистанционно с использованием сервомеханизма для управления фазовращателями Phi.E0, Phi.E1L - Phi.E[n]L и Phi.E1U - Phi.E[n]U, которые могут управляться механически.
Система 30 фазированной антенной решетки имеет ряд недостатков:
a) фазовый сдвиг требуется для каждого антенного элемента или (что менее предпочтительно) для группы элементов;
b) стоимость антенны высока из-за количества требуемых фазовращателей;
с) уменьшение стоимости за счет применения фазовращателей для соответствующих групп элементов вместо отдельных антенных элементов увеличивает уровень боковых лепестков;
d) механическая связь фазовращателей для правильной установки временных задержек является сложной, и используются механические связи и механизмы, которые приводят к неоптимальности схемы задержек;
e) уровень верхнего бокового лепестка увеличивается, когда антенна наклонена вниз, создавая потенциальный источник помех мобильным станциям, использующим другие базовые станции;
f) если антенна совместно используется различными операторами, все операторы должны использовать один и тот же угол электрического наклона; и
g) в системе, имеющей восходящую линию связи и нисходящую линию связи на различных частотах (дуплексная система с частотным разделением), угол электрического наклона в режиме передачи отличается от угла электрического наклона в режиме приема.
На Фиг.3 показана система 40 фазированной антенной решетки, соответствующая изобретению, которая имеет настраиваемый угол электрического наклона. Система 40 включает вход 42 для RF сигнала передатчика, вход 42 соединен с входом делителя 44 мощности, который обеспечивает два выходных сигнала V1a, V1b, подаваемые на переменный фазовращатель 46 и постоянный фазовращатель 48 соответственно. Фазовращатели 46 и 48 могут также рассматриваться как устройства временной задержки. Они выдают соответствующие выходные сигналы V2a и V2b на преобразователь 50 фазы в мощность, который в свою очередь выдает выходные сигналы V3a и V3b на делители 52 и 54 мощности соответственно. Преобразователь 50 фазы в мощность далее описан более подробно. Делители 52 и 54 мощности имеют n выходных устройств, таких как 52a и 54a соответственно: n здесь является положительным целым числом, которое равно или больше 2, и пунктирные выходы 52b и 54b показывают выходы, которые могут быть соответственно добавлены, для любого желаемого размера решетки.
На выходы делителя мощности, такие как 52a и 54a, выдаются выходные сигналы Va1-Va[n] и Vb1-Vb[n] соответственно, которые сгруппированы в пары Vai/Vbi (i равно от 1 до n), по одному сигналу от каждого делителя в каждой паре; каждая пара сигналов Vai/Vbi подается (не показано) на соответствующий преобразователь 561 мощности в фазу. Первый преобразователь 561 мощности в фазу принимает входные сигналы Va1/Vb1 и подает возбуждающие сигналы через соответствующие постоянные фазовращатели 58U1 и 58L1 на первую пару равноотстоящих элементов 60U1 и 60L1 фазированной антенной решетки, которые являются самыми дальними элементами решетки 60. Пары соседних антенных элементов, таких как 60U1 и 60L1, расположены на расстоянии 62 между их центрами. Второй преобразователь 562 мощности в фазу принимает входные сигналы Va2 и Vb2: он выдает возбуждающие сигналы через соответствующие постоянные фазовращатели 58U2 и 58L2 на вторую пару элементов 60U2 и 60L2 фазированной антенной решетки, которые являются следующими после соответствующих самых дальних элементов 60U1 и 60L1. Подобным образом, n-ый преобразователь 56n мощности в фазу принимает входные сигналы Va[n]/Vb[n]: он выдает возбуждающие сигналы через соответствующие постоянные фазовращатели 58Un и 58Ln на n-ую пару элементов 60Un и 60Ln фазированной антенной решетки. Эта n-ая пара имеет расстояние 64 между центрами элементов, равное (n-1) расстояний 62 между центрами самых дальних элементов 60U1 и 60L1. Здесь, как и ранее, n является произвольным положительным целым числом, которое равно или больше 2, но равно значению n для делителей мощности 52 и 54, а размер фазированной антенной решетки равен 2n антенных элементов. Преобразователь 56n мощности в фазу и самые удаленные от центра антенные элементы 60Un и 60Ln показаны пунктиром, чтобы показать, что они могут быть добавлены, как требуется для любого желаемого размена фазированной антенной решетки.
Система 40 фазированной антенной решетки работает следующим образом. RF сигнал передатчика подается (посредством одного фидера) через вход 42 на делитель 44 мощности, где этот сигнал разделяется на сигналы V1a и V1b одинаковой мощности. Сигналы V1a и V1b подаются на переменный и постоянный фазовращатели 46 и 48 соответственно. Переменный фазовращатель 46 применяет выбранный оператором фазовый сдвиг или временную задержку, и величина фазового сдвига управляет углом электрического наклона фазированной решетки антенных элементов 58U1 и т.д. Постоянный фазовращатель 48 применяет постоянный фазовый сдвиг, который для удобства устанавливается равным половине максимального фазового сдвига φM, применяемого переменным фазовращателем 46. Это позволяет изменять фазу сигнала V1a в диапазоне от - φM/2 до + φM/2 относительно фазы сигнала V1b, и эти сигналы после фазового сдвига становятся равными V2a и V2b на выходах фазовращателей 46 и 48.
Преобразователь 50 фазы в мощность объединяет свои входные сигналы V2a и V2b и генерирует из них два выходных сигнала V3a и V3b, имеющих относительные мощности, зависящие от относительной разности фаз между входными сигналами. Делители 52 и 54 мощности делят сигналы V3a и V3b на n выходных сигналов Va1-Va[n] и Vb1-Vb[n] соответственно, где мощность каждого сигнала в каждом наборе Va1 и т.д. и Vb1 и т.д. не обязательно равна мощностям других сигналов в их наборах. Делитель 52 является «делителем с убыванием амплитуды», управляющим мощностью антенных элементов, а делитель 54 является «делителем наклона», управляющим наклоном.
Разбросы мощностей сигналов в наборах Va1 и т.д. и Vb1 и т.д. различны для различного количества антенных элементов 60U1 и т.д. решетки 60, и далее описаны примеры решеток с постоянными размерами.
Выходные сигналы Va1 - Va[n] и Vb1 - Vb[n] группируются в пары из различных делителей, но с одинаковыми суффиксами, то есть пары Va1/Vb1, Va2/Vb2 и т.д. Пары Va1/Vb1 и т.д. подаются на соответствующие преобразователи 561 и т.д. мощности в фазу, которые преобразуют каждую пару в два возбуждающих сигнала антенного элемента с относительной разностью фаз между ними. Каждый возбуждающий сигнал передается через соответствующий постоянный фазовращатель 58U1 и т.д. на соответствующий антенный элемент 60U1 и т.д. Постоянные фазовращатели 58U1 и т.д. вводят постоянные фазовые сдвиги, которые линейно изменяются между различными антенными элементами 60U1 и т.д. согласно геометрическому расположению элемента вдоль решетки 60: это нужно, чтобы установить нулевое опорное направление (18a или 18b на Фиг.1) для линии визирования решетки 60, когда разность фаз между сигналами V1a и V1b, обусловленных переменным фазовращателем 46, равна нулю. Постоянные фазовращатели 58U1 и т.д. не существенны, но предпочтительны, так как они могут быть использованы, чтобы a) правильно подобрать фазовый сдвиг, вносимый процессом наклона, b) оптимизировать подавление боковых лепестков в диапазоне углов наклона, и c) внести возможный постоянный угол электрического наклона.
Можно показать (как описано далее), что угол электрического наклона решетки 60 может изменяться просто при использовании одного переменного фазовращателя, т.е. переменного фазовращателя 46. Это соответствует требованиям предшествующего уровня техники иметь множество изменяемых фазовращателей, по одному для каждого антенного элемента. Когда разность фаз, вносимая переменным фазовращателем 46, положительна, антенна наклоняется в одном направлении, а когда эта разность фаз отрицательна, антенна наклоняется в противоположном направлении.
Если существует некоторое количество пользователей, каждый пользователь может иметь соответствующую систему 40 фазированной антенной решетки. Альтернативно, если требуется, чтобы пользователи использовали общую антенну 60, каждый пользователь имеет соответствующий набор элементов от 42 до 58U/58L на Фиг.3, и требуется схема объединения для объединения сигналов от результирующего множества наборов фазовращателей 58U и т.д. для подачи на антенную решетку 60. В публикации № WO 02/082581 A2 описана такая схема.
На Фиг.4 показаны напряжения выходных сигналов V3a и V3b преобразователя фазы в мощность, представленные как функция разности фаз между V2a и V2b, вносимой фазовращателем 46. Здесь V3a и V3b нормированы максимумом, равным 1В. Фазовые углы сигналов V3a и V3b остаются равными и не изменяются, так как мощность одного сигнала уменьшается, а мощность другого увеличивается, как следствие изменения относительной разности фаз между V2a и V2b, вносимой переменным фазовращателем 46. Тем не менее, отрицательное напряжение для V3b представляет фазовый сдвиг этого сигнала на 180 градусов относительно V3a.
Фиг.5 эквивалентна Фиг.4 за исключением того, что она является графиком зависимости мощности, нормированной значением 1 Вт, от разности фаз V2a/V2b для сигналов V3a и V3b, причем их мощности обозначены P3a и P3b соответственно. Показано, что когда антенна не наклонена, то есть когда фаза = 0, значение P3a максимально, а P3b = 0: следовательно, вся мощность сигнала подается на первый делитель 52, когда фаза = 0, а второй делитель принимает нулевую мощность. Следовательно, распределение напряжений (Va1, Va2,...Va[n]), когда антенна не наклонена, определяет усиление на линии визирования и уровень боковых лепестков для нулевого наклона.
Результаты различных распределений напряжения их элементам фазированной антенной решетки хорошо известны. Фиг.6 иллюстрирует три различных распределения напряжения для фазированной антенной решетки, имеющей семнадцать антенных элементов, причем напряжение представлено в зависимости от количества антенных элементов: здесь рассматриваются антенные элементы, упорядоченные в вертикальной плоскости, причем центральный антенный элемент имеет нулевой номер. Положительные и отрицательные номера антенных элементов определены согласно тому, находится ли антенный элемент в каждом случае выше или ниже центрального антенного элемента 0, а значение номера антенного элемента в каждом случае пропорционально расстоянию между соответствующим элементом и центральным элементом. Напряжение антенного элемента нормируется делением на напряжение центрального антенного элемента, поэтому центральный антенный элемент 0 имеет напряжение 1.0 относительно других антенных элементов.
Если требуется, чтобы фазированная антенная решетка в первую очередь имела максимальное усиление на линии визирования, то используется прямоугольное распределение напряжений антенных элементов, то есть все антенные элементы имеют одинаковое возбуждающее напряжение, как показано линейным горизонтальным графиком 70. Если требуется максимальное подавление уровня бокового лепестка, то используется биномиальное распределение 72 напряжений антенных элементов. Альтернативно, может быть использовано распределение 74, которое является частично прямоугольным и частично биномиальным. Распределение 74 является полусуммой распределений 70 и 72. В распределении 72 самые дальние от центра элементы 8 и -8 принимают нулевую мощность и могут быть удалены из фазированной антенной решетки.
Обнаружено, что для этого изобретения предпочтительно оптимизировать уровень боковых лепестков при максимальном угле электрического наклона. Уровни боковых лепестков тогда меньше, чем уровень при максимальном угле наклона для всех углов наклона ниже максимума. В соответствии с Фиг.3, чтобы электрически наклонить фазированную антенную решетку 60 мощность, подаваемая на второй делитель 54 увеличивается, начиная с нулевой; i-ый верхний и нижний элементы 60Ui и 60Li (i равно от 1 до n), затем принимают возбуждающие сигналы, имеющие фазу и амплитуду, определенные векторным объединением сигналов Va[i] и Vb[i]. Фаза φu[i] сигнала, поданного на i-ый верхний элемент 60U[i], равна:
.
Фазовый сдвиг φl[i] сигнала, поданного на i-ый нижний элемент 60L[i], равен:
.
Уравнения (1) и (2) показывают, что фаза возбуждающего сигнала, подаваемого на i-ый верхний антенный элемент 60U[i], противоположна по направлению фазе, которая применяется для i-го нижнего антенного элемента 60L[i]. Затем выходные напряжения второго делителя 54 выбираются для увеличения от Vb1 до Vb[n], то есть Vb[n] >... Vb2 > Vb1: следовательно, согласно уравнениям (1) и (2), по антенне 60 устанавливается прогрессивный фазовый фронт, обуславливающий ненулевой угол электрического наклона. Кроме того, фазовый фронт остается по существу линейным, так как угол наклона увеличивается, таким образом, сохраняя усиление на линии визирования и подавление боковых лепестков. Из уравнений (1) и (2) видно, что чувствительность наклона определяется мощностью, переданной вторым делителем 54. Реализованная таким образом система 40 фазированной антенной решетки имеет чувствительность к наклону, которая обычно равна 1 градусу электрического наклона на 10 градусов фазового сдвига.
Антенная система 40 может быть реализована как система с одним фидером или система с двойным фидером (на одного оператора в каждом случае). В системе с одним фидером один фидер 42 сигнала подает сигнал Vin на антенную решетку 60, которая может быть установлена на мачте, и элементы от 44 до 64 на Фиг.3 устанавливаются вместе с антенной решеткой. Это выгодно, потому что необходим только один сигнал возбуждения для передачи на антенную систему от удаленного пользователя, но, наоборот, удаленный оператор не может регулировать угол электрического наклона без доступа к антенной системе. Также, операторы, совместно использующие одну антенну, все имеют одинаковый угол электрического наклона.
В системе с двойным фидером два сигнала V2a и V2b подаются на антенную решетку: компоненты от 42 до 48 (компоненты управления наклоном) на Фиг.3 могут быть расположены рядом с пользователем, удаленно от антенной решетки 60, а компоненты от 50 до 64 расположены вместе с антенной решеткой. Пользователь может иметь прямой доступ к фазовращателю 46, чтобы настраивать угол электрического наклона. Также удобно снизить чувствительность к наклону, чтобы уменьшить эффекты, обусловленные разностями фаз между устройствами подачи и, следовательно, разностью между углом электрического наклона, требуемым оператором, и углом электрического наклона антенны. При соответствующем наборе компонент от 42 до 48 управления наклоном, расположенных рядом с оператором, и на входной стороне частотно-избирательного сумматора, находящегося в базовой станции оператора, можно реализовать совместно используемую антенную систему с индивидуальным углом наклона для каждого пользователя.
Чтобы уменьшить влияние изменений амплитуды и фазы между двумя фидерами в системе с двойным фидером, соответствующей изобретению, можно уменьшить чувствительность к наклону за счет уменьшения мощности со второго делителя 54, используемой для электрического наклона. Мощность, используемая для наклона, со второго делителя 54 может быть уменьшена за счет (a) подачи части мощности с делителя 54 на дополнительный антенный элемент с постоянным фазовым сдвигом, который расположен в центре антенной решетки, или (b) отвода части этой мощности в поглощающую нагрузку или (c) комбинации (a) и (b).
Чтобы избежать чрезмерного уменьшения максимального значения усиления на линии визирования антенны, предпочтительно отводить часть мощности второго делителя на дополнительный центральный антенный элемент. Когда половина полной мощности второго делителя подается на центральный антенный элемент, чувствительность наклона обычно равна 20 градусов фазового сдвига на 1 градус электрического наклона. Так как наклон проходит через ноль, фазовый сдвиг на центральном антенном элементе изменяется на 180 градусов. Это вводит асимметрию между уровнями верхнего и нижнего боковых лепестков, в отличие от Фиг.1, где эти лепестки симметричны. В частности, эта асимметрия приводит к подавлению верхнего бокового лепестка (соответствующего 20a), чтобы дополнительно уменьшить возможность помех мобильным телефонам, использующим другие базовые станции.
Вариант осуществления 40 изобретения обеспечивает следующие преимущества:
1) наклон реализуется с одним изменяемым устройством временной задержки или фазовращателем для одного пользователя вместо такого использования на каждый антенный элемент;
2) распределения фаз и амплитуд остаются по существу постоянными в диапазоне наклона (от 4 до 6 градусов в зависимости от частоты); здесь «распределение» означает профиль амплитуды или фазы по антенным элементам;
3) подавление боковых лепестков остается эффективным в диапазоне наклона и может управляться до менее чем 18 дБ ниже уровня на линии визирования;
4) можно установить оптимальную чувствительность к наклону;
5) для совместного использования антенны многими пользователями возможны индивидуальные углы наклона;
6) угол наклона в режиме передачи может быть или равен углу наклона в режиме приема или отличаться от него, несмотря на то, что эти режимы имеют различные частоты, как описано далее; и
7) можно получить асимметричные уровни боковых лепестков, чтобы уменьшить возможность помех мобильным станциям, которые используют другие базовые станции.
На Фиг.7 показана схема 80 для преобразования фазы в мощность и разделения мощности, подобная схеме в верхней части Фиг.3. Ниже описаны только различия между этими схемами. Эти различия при сравнении с Фиг.3 заключаются в том, что постоянный фазовращатель 82 соединен последовательно (вместо параллельного соединения) с переменным фазовращателем 84 дан пример преобразования фазы в мощность и два делителя 88a и 88b каждый делят сигналы на семь выходных сигналов Va1/Vb1 и т.д. Сигналы передаются от постоянного и переменного фазовращателей 82 и 84 на квадратурный гибридный направленный ответвитель 86 («квадратурный гибрид»), имеющий четыре вывода A, B, C и D. Каналы входа-выхода между парами выводов от A до D показаны изогнутыми линиями, такими как 92. Преобразование фазы в мощность получается при объединении постоянного фазовращателя 82 и ответвителя 86. Как показано отметками -90 и -180, квадратурный гибрид 86 сдвигает по фазе свои входные сигналы на -90 или -180 градусов, в зависимости от того, где такие сигналы входят и выходят: сигнал V2a от постоянного фазовращателя 82 подается на вывод B и выходит на выводах A и C на делители 88a и 88b с фазовыми сдвигами, равными -90 градусов и -180 градусов соответственно. Подобным образом, сигнал V2b от переменного фазовращателя 84 подается на вывод D и выходит на выводах A и C на делители 88a и 88b с фазовыми сдвигами, равными -180 градусов и -90 градусов соответственно. Делители 88a и 88b, вообще говоря, обеспечивают разделение мощности, как описано ранее.
На Фиг.7 показано преобразование фазы в мощность, реализованное с помощью квадратурных гибридов, также известными как 90-градусные гибриды, которые могут обеспечить также преобразование мощности в фазу. Кроме того, оба преобразования фазы в мощность и мощности в фазу могут быть также реализованы с 180-градусными гибридами, которые также известны как суммарно-разностные гибриды, когда они связаны с подходящими постоянными фазовращателями, чтобы обеспечить требуемое функционирование в целом.
Согласно Фиг.8, фазированная антенная решетка 94 соединена (не показано) со схемой 80 и содержит четырнадцать элементов от 96E1U до 96E7U и от 96E1L до 96E7L антенны, показанных в верхних/нижних парах, таких как 96E1U и 96E1L. Фиг.8 наглядно показывает схему электрического соединения, когда пары элементов противоположны друг другу, но на практике элементы 96E1U и т.д. антенны упорядочены прямолинейно и все ориентированы в одном направлении. Верхние элементы от 96E1U до 96E7U антенны соединены через соответствующие предварительно установленные фазовращатели от 98U1 до 98U7 и постоянные 90-градусные фазовращатели от 99U1 до 99U7 с квадратурными гибридными направленными ответвителями от 100C1 до 100C7. Нижние элементы от 96E1L до 96E7L антенны соединены через соответствующие предварительно установленные фазовращатели от 98L1 до 98L7 также с ответвителями от 100C1 и 100C7, причем соответствующий ответвитель 100Ci соединен с каждой верхней/нижней парой элементов 96EUi/96Eli (i = 1, 2, ...7). Предварительно установленные фазовращатели от 98L1 до 98L7 необязательны: они задают для антенной решетки 96 заранее установленное направление линии визирования, соответствующее нулевому электрическому наклону, и оптимизируют подавление боковых лепестков в диапазоне углов наклона.
Каждый ответвитель 100C1 и т.д. принимает соответствующую пару входных сигналов от делителей 88a и 88b, то есть i-ый ответвитель 100Ci принимает входные сигналы Vai и Vbi, причем i имеет значения от 1 до 7, как и ранее. Каждый ответвитель 100C1 и т.д. эквивалентен ответвителю 86, упоминавшемуся ранее, то есть каждый ответвитель имеет четыре вывода от A до D с промежуточными каналами входа-выхода, показанными изогнутыми линиями, такими как 102. Ответвитель 100C1 принимает входные сигналы Va1 и Vb1 на выводах B и D соответственно и генерирует копии каждого сигнала, сдвинутые по фазе на -90 градусов и -180 градусов: выход A принимает Va1, сдвинутый по фазе на -90 градусов и Vb2, сдвинутый по фазе на -180 градусов, а выход C принимает Va1, сдвинутый по фазе на -180 градусов, и Vb2, сдвинутый по фазе на -90 градусов. Выход A соединен через -90-градусный фазовращатель 99U1 и предварительно установленный фазовращатель 98U1 с антенным элементом 96E1U, а выход C соединен через предварительно установленный фазовращатель 98L1 с элементом 96E1L. Подобные выполнения применяются к фидерам питания для других верхних/нижних пар от 96E2U/96E2L до 96E7U/96E7L антенных элементов. Объединенные i-ый квадратурный гибридный ответвитель 100Ci и 90-градусный фазовращатель 99Ui обеспечивают преобразование мощности в фазу, обозначенное ссылочной позицией 56 на Фиг.3.
На Фиг.9 показана фазированная антенная решетка 96 в ее действительном линейном виде, причем каждый антенный элемент 96E1U и т.д. показан с левой стороны вместе с соответствующими векторными диаграммами от 110U1 до 110L7 справа. Векторная диаграмма 110U1 имеет результирующий вектор 112, получающийся из векторного сложения векторов a1 и b1 и представляющий сумму сигналов Va1 и Vb1, прикладываемых к антенному элементу 96E1U после различных фазовых сдвигов, как описано ранее. Подобные замечания применимы к другим антенным элементам. Верхний i-ый антенный элемент 96EiU принимает векторную сумму ai+bi, а нижний i-ый антенный элемент 96EiL принимает векторную разность ai-bi.
Отношения по напряжению и мощности для первого делителя 88a на Фиг.7 показаны в Таблице 1. Для удобства представления уровни мощности нормированы так, что полная мощность, выходящая из делителя 88a, равна 1 Вт. Напряжения являются квадратными корнями из мощностей, поэтому они также являются относительными величинами. Уровни напряжений для антенных элементов имеют квадратичное распределение приподнятого косинуса. Оно подобно кривой 74 на Фиг.6 за исключением того, что, строго говоря, кривая 74 является биномиальной, а не косинусоидальной, и ее кривизна отличается.
| Таблица 1 | |||
| Выходной сигнал делителя 88а | Отношение по напряжению | Отношение по мощности | |
| Мощность | Децибелы | ||
| Va7 | 0,0010 | 0,000001 | -60,0 |
| Va6 | 0,0825 | 0,0068 | -21,7 |
| Va5 | 0,2014 | 0,0406 | -13,9 |
| Va4 | 0,3306 | 0,1093 | -9,6 |
| Va3 | 0,4494 | 0,2020 | -7,0 |
| Va2 | 0,5404 | 0,2920 | -5,4 |
| Va1 | 0,5911 | 0,3493 | -4,6 |
Отношение по напряжению и мощности для второго делителя 88b на Фиг.7 показаны в Таблице 2, выраженные как относительные величины или отношения таким же образом, что и в Таблице 1.
| Таблица 2 | |||
| Выходной сигнал делителя 88b | Отношение по напряжению | Отношение по мощности | |
| Мощность | Децибелы | ||
| Vb7 | 0,2607 | 0,0680 | -11,7 |
| Vb6 | 0,4346 | 0,1889 | -7,2 |
| Vb5 | 0,5032 | 0,2532 | -6,0 |
| Vb4 | 0,4910 | 0,2411 | -6,2 |
| Vb3 | 0,4086 | 0,1670 | -7,8 |
| Vb2 | 0,2702 | 0,0730 | -11,4 |
| Vb1 | 0,0946 | 0,0090 | -20,5 |
На Фиг.10 и 11 показана модификация варианта, описанного со ссылкой на Фиг.7-9, и элементы, описанные ранее, имеют те же ссылочные позиции. Эта модификация, в частности, применима для реализации изобретения с двойным фидером, где предпочтительно уменьшать чувствительность к наклону, чтобы уменьшить возможную ошибку вследствие влияния разности фаз между фидерами сигналов. Существуют две модификации: первая модификация состоит во введении дополнительного делителя 120 двухканального делителя между выходом C ответвителя 86 и вторым делителем 88b. Это позволяет отводить часть мощности, ранее подаваемую на второй делитель 88b, чтобы обеспечить другой сигнал Vb0. Как показано на Фиг.11, решетка 94 модифицируется внесением дополнительного антенного элемента 122, который принимает Vb0 сигнал через постоянный 180-градусный фазовращатель 124. Дополнительный антенный элемент 122 расположен в центре решетки 94, которая в остальном не изменяется; то есть элемент 122 расположен на расстоянии S/2 от каждого антенного элемента 96E1U и 96E1L, где S является расстоянием между любой другой соседней парой антенных элементов, таких как 96E2U и 96E2L. Заметим, что для наглядности расстояние от дополнительного антенного элемента 122 показано равным другим расстояниям S, но обозначено S/2.
Фиг.11 эквивалентна Фиг.9 с добавлением антенного элемента 122 и фазовращателя 124: как показано на векторной диаграмме 126, этот элемент 122 принимает сигнал Vb0 без вычитания любого другого векторного сигнала от делителя 88a. Отношения по напряжению и мощности для делителя 88b показаны в Таблице 3. Как и ранее, уровни мощности нормированы, так что полная мощность, выходящая из делителя 88b, равна 1 Вт. Эквиваленты для делителя 88a такие же, как в Таблице 1.
| Таблица 3 | |||
| Выходной сигнал делителя | Отношение по напряжению | Отношение по мощности | |
| Мощность | Децибелы | ||
| Vb7 | 0,2355 | 0,0555 | -12,6 |
| Vb6 | 0,3925 | 0,1540 | -8,1 |
| Vb5 | 0,4544 | 0,2065 | -6,9 |
| Vb4 | 0,4434 | 0,1966 | -7,1 |
| Vb3 | 0,3690 | 0,1362 | -8,7 |
| Vb2 | 0,2440 | 0,0595 | -12,3 |
| Vb1 | 0,0855 | 0,0073 | -21,4 |
| Vb0 | 0,4294 | 0,1844 | -7,3 |
Направление максимального усиления фазированной антенной решетки определяется фазой и амплитудой напряжений антенных элементов. Если эффективность антенны должна оставаться в общем такой же в полосе частот, то фаза и амплитуда сигналов, подаваемых на элементы, должны оставаться теми же при изменении частоты. Длина линии передачи имеет временную задержку, которая постоянна и не зависит от частоты, и, следовательно, фазовый сдвиг, который эта задержка вносит в сигнал, проходящий вдоль линии, увеличивается с частотой. Следовательно, фазированная антенная решетка, которая использует линии передачи в качестве элементов временной задержки, имеет характеристики, которые изменяются с частотой. Широкополосный направленный ответвитель имеет свойство, которое заключается в том, что фазовые соотношения на его выводах остаются постоянными в его рабочем диапазоне частот. Следовательно, если направленные ответвители используются как элементы временной задержки в фазированной антенной решетке, то характеристики антенны остаются постоянными при изменении частоты. В качестве средства компенсации изменений уровня боковых лепестков при изменении угла электрического наклона, также может быть предпочтительно сохранять использование линий передачи как элементов временной задержки. Максимальная гибкость конструкции достигается, если для получения временной задержки/фазового сдвига используется комбинация линии передачи и направленного ответвителя.
На Фиг.12 воспроизведена часть Фиг.3 и модифицирована, чтобы проиллюстрировать конфигурации с одним фидером. Описанные ранее элементы имеют те же ссылочные позиции с префиксами 100, и описаны только изменения. Один фидер 165 сигналов подает RF сигнал на делитель 144, который расположен вместе со всеми компонентами от 146 до 160 включительно. Это требует настройки наклона антенной решетки 160, которая может быть расположена на мачте.
Фиг.13 показывает систему 171 фазированной антенной решетки, соответствующую изобретению, эквивалентную системе по Фиг.12 с модификацией для использования и в режиме приема и в режиме передачи. Описанные ранее элементы имеют те же ссылочные позиции, и описаны только изменения. Переменный фазовращатель 146, при помощи которого регулируется наклон, теперь используется только в режиме передачи (Tx), и включен в канал 173 передачи между полосовыми фильтрами (BPF) 175 и 177 и последовательно с ними. Также имеется подобный канал 179 приема (Rx) с переменным фазовращателем 181 между полосовыми фильтрами 183 и 185 и последовательно с ними. Частоты передачи и приема обычно достаточно различаются, чтобы обеспечить их выделение полосовыми фильтрами 175 и т.д. Все элементы от 144 до 160 работают в обратном порядке в режиме приема, причем делители, например, становятся объединителями. Единственная разница между этими режимами заключается в том, что в режиме передачи фидер 165 обеспечивает входной сигнал, и сигнал передачи проходит канал 173 передачи слева направо, тогда как в режиме приема сигнал приема проходит канал 179 приема справа налево, и фидер 165 обеспечивает выходной сигнал. Это выполнение предпочтительно, так как оно позволяет независимо настраивать углы электрического наклона в обоих режимах передачи и приема и делать их равными: обычно это невозможно (что является недостатком), так как компоненты имеют частотно-зависимые свойства, которые отличаются на частотах передачи и приема.
На Фиг.14 показана система 200 фазированной антенной решетки, соответствующая изобретению, для использования в режимах передачи и приема несколькими (двумя) операторами 201 и 202 одной фазированной антенной решетки 205. Элементы, эквивалентные тем, что были ранее описаны, имеют те же ссылочные позиции с префиксами 200. На чертеже показаны различные каналы: эквивалентные элементы в различных каналах имеют те же ссылочные позиции с одним или более суффиксами: суффикс T или R обозначает канал передачи или приема, суффикс 1 или 2 обозначает первого или второго оператора 201 или 202, а суффикс A или B обозначает канал A или B.
Первоначально будет описан канал 207T1 передачи первого оператора 201. Этот канал передачи имеет RF входной сигнал 242, подаваемый на делитель 244T1, который делит входной сигнал между переменным и постоянным фазовращателями 246T1A и 248T1B. Сигналы проходят с фазовращателей 246T1A и 248T1B в полосовые фильтры (BPF) 209T1A и 209T1B в различных дуплексерах 211A и 211B соответственно. Полосовые фильтры 209T1A и 209T1B имеют центры полос пропускания на частоте передачи первого оператора 201, причем эта частота обозначена Ftx1, как показано на чертеже. Первый оператор 201 также имеет частоту приема, обозначенную Frx1, а эквивалентные частоты для второго оператора обозначены Ftx2 и Frx2.
Сигнал передачи первого оператора на частоте Ftx1 с выхода крайнего слева полосового фильтра 209T1A объединяется первым дуплексером 211A с полученным таким же образом сигналом передачи второго оператора на частоте Ftx2 с выхода соседнего полосового фильтра 209T2A. Эти объединенные сигналы проходят по фидеру 213A в схему 215 формирования наклона антенны, подобную описанной в предшествующих примерах, и оттуда на фазированную антенную решетку 205. Подобным образом, другой сигнал передачи первого оператора на частоте Ftx1 с выхода полосового фильтра 209T1B объединяется вторым дуплексером 211B с полученным таким же образом сигналом передачи второго оператора на частоте Ftx2 с выхода соседнего полосового фильтра 209T2B. Эти объединенные сигналы проходят по второму фидеру 213B в фазированную антенную решетку 205 через схему 215 формирования наклона антенны. Несмотря на использование одной фазированной антенной решетки 205, два оператора могут изменять свои углы электрического наклона при передаче независимо и дистанционно относительно антенны 205, просто настраивая переменные фазовращатели 246T1A и 246T2A соответственно.
Аналогично, сигналы приема, приходящие от антенны 205 через схему 215 формирования и фидеры 213A и 213B, разделяются дуплексерами 211A и 211B. Эти разделенные сигналы затем фильтруются для выделения отдельных частот Frx1 и Frx2 в полосовых фильтрах 209R1A, 209R2A, 209R1B и 209R1B, которые обеспечивают сигналы для переменных и постоянных фазовращателей 246R1A, 246R2A, 246R1B и 246R1B соответственно. Углы электрического наклона при приеме затем независимо настраиваются операторами 201 и 202 при помощи настойки соответствующих им переменных фазовращателей 246R1A и 246R2A.
1. Система фазированной антенной решетки с изменяемым электрическим наклоном, включающая в себя решетку антенных элементов (от 60U1 до 60L[n]). содержащая
a) делитель (44) для деления радиочастотного (RF) сигнала несущей на первый и второй сигналы,
b) переменный фазовращатель (46) для внесения изменяемого относительного фазового сдвига между первым и вторым сигналами,
c) преобразователь (50) фазы в мощность для преобразования первого и второго сигналов с относительным фазовым сдвигом в сигналы, мощность которых является функцией относительного фазового сдвига,
d) первый и второй делители (52, 54) мощности для деления преобразованных сигналов, по меньшей мере, на два набора разделенных сигналов, причем суммарное количество разделенных сигналов в наборах, по меньшей мере, равно количеству антенных элементов в решетке,
e) преобразователи (56) мощности в фазу для объединения пар разделенных сигналов с различных делителей (52, 54) мощности таким образом, чтобы для каждой такой пары получить соответствующие составляющие сигналы, представляющие векторную сумму и векторную разность разделенных сигналов пары, при этом составляющие сигналы, полученные из каждой пары разделенных сигналов имеют подходящую фазу относительно друг друга и других таких составляющих сигналов для подачи на соответствующие пары антенных элементов (например, 60U[n], 60L[n]), расположенных на одинаковых расстояниях относительно центра (62) решетки.
2. Система по п.1, имеющая нечетное количество антенных элементов (от Е0 до E7L), содержащих центральный антенный элемент (Е0), размещенный в центре каждой пары антенных элементов (например, E7U, E7L), находящихся на одинаковом расстоянии от центра.
3. Система по п.2, содержащая третий делитель (120) мощности, подсоединенный между преобразователем фазы в мощность и первым или вторым делителем (88а, 88b) мощности и выполненный с возможностью отвода на центральный антенный элемент (Е0) доли мощности с преобразователя (82/86) фазы в мощность.
4. Система по п.1, в которой преобразователи (50, 56) фазы в мощность и мощности в фазу являются комбинациями фазовращателей (82) и квадратурных гибридных элементов (86) связи.
5. Система по п.1, в которой преобразователи фазы в мощность и мощности в фазу являются комбинациями фазовращателей и 180-градусных гибридных элементов связи.
6. Система по п.1, в которой делитель (144), фазовращатель (146), преобразователи (150, 156) фазы в мощность и мощности в фазу и делители (152, 154) мощности расположены вместе с решеткой (160) антенных элементов в виде антенного блока (144), причем антенный блок (144) имеет один фидер (165) для подачи RF мощности от удаленного источника.
7. Система по п.1, в которой делитель (например, 244Т1) и фазовращатель (например, 246Т1А) расположены удаленно от преобразователей фазы в мощность и мощности в фазу, делителей (совместно 215) мощности и решетки (205) антенных элементов, которые расположены вместе в виде антенного блока, причем антенный блок имеет двойной фидер (213А, 213В) для подачи RF мощности от удаленного источника.
8. Система по п.7, в которой делитель (например, 244Т1) и фазовращатель (например, 246Т1А) расположены вместе с удаленным источником для использования оператором (201, 202) при изменении угла электрического наклона.
9. Система по п.7, содержащая дуплексеры (211А, 211В), чтобы объединять сигналы, приходящие от различных операторов (201, 202), которые совместно используют антенную систему (200), или делить сигналы, идущие к этим операторам.
10. Система по п.1, в которой делители (52, 54) мощности выполнены с возможностью обеспечения для антенных элементов (например, 60U1) возбуждающих напряжений, которые падают от максимума в центре антенной решетки (60) до минимума на концах решетки (60U[n], 60L[n]).
11. Система по п.1, в которой один делитель (54) мощности выполнен с возможностью обеспечения набора напряжений, которые увеличиваются от минимума до максимума, которые связаны с центром антенной решетки и ее концами, соответственно, таким образом, чтобы создать прогрессивный фазовый фронт вдоль антенной решетки, причем фазовый фронт, по существу, является линейным, с увеличением угла наклона в рабочем диапазоне углов наклона, как требуется для приемлемого усиления на линии визирования и подавления боковых лепестков.
12. Система по п.1, в которой
a) переменный фазовращатель является первым переменным фазовращателем (146) и связан с первым средством фильтрации (175, 177) для определения канала передачи (173) от делителя (144) к преобразователю фазы в мощность, делителям мощности и преобразователям мощности в фазу (от 150 до 158),
b) система (171) содержит второй переменный фазовращатель (181) и связана со вторым средством фильтрации (183, 185) для определения канала приема (179) от преобразователя фазы в мощность, делителей мощности и преобразователей мощности в фазу (от 150 до 158) к делителю (144),
c) при этом делитель (144), преобразователь фазы в мощность, делители мощности и преобразователи мощности в фазу (от 150 до 158) являются реверсируемыми и работают в одном направлении в режиме передачи и в обратном направлении в режиме приема, и
d) углы электрического наклона системы в режимах передачи и приема независимо настраиваются посредством первого и второго переменных фазовращателей (146, 181), соответственно.
13. Способ обеспечения изменяемого электрического наклона в системе (40) фазированной антенной решетки, включающей в себя решетку (60) антенных элементов (например, 60U1), причем способ содержит этапы
a) делят радиочастотный (RF) сигнал несущей на первый и второй сигналы,
b) вносят изменяемый относительный фазовый сдвиг между первым и вторым сигналами,
c) преобразуют первый и второй сигналы с относительным фазовым сдвигом в сигналы, мощность которых является функцией относительного фазового сдвига,
d) используют делители (52, 54) мощности для деления преобразованных сигналов, по меньшей мере, на два набора разделенных сигналов, причем суммарное количество разделенных сигналов в наборах, по меньшей мере, равно количеству антенных элементов в решетке,
e) объединяют пары разделенных сигналов с различных делителей (52, 54) мощности таким образом, чтобы для каждой такой пары получить соответствующие составляющие сигналы, представляющие векторную сумму и векторную разность разделенных сигналов пары, при этом составляющие сигналы, полученные из каждой пары разделенных сигналов, имеют подходящую фазу относительно друг друга и других таких составляющих сигналов для подачи на соответствующую пару антенных элементов (например, 60U[n], 60L[n]), расположенных на одинаковых расстояниях относительно центра (62) решетки, и
f) подают составляющие сигналы, полученные из каждой пары разделенных сигналов на соответствующую пару антенных элементов (например, 60U[n], 60L[n]), расположенных на одинаковых расстояниях относительно центра (62) решетки.
14. Способ по п.13, в котором антенная решетка имеет нечетное количество антенных элементов (от Е0 до E7L), содержащих центральный антенный элемент (Е0), размещенный в центре каждой пары антенных элементов, находящихся на одинаковом расстоянии от центра (например, E1U, E1L).
15. Способ по п.14, в котором система фазированной антенной решетки содержит третий делитель (120) мощности, подсоединенный для приема одного из сигналов, мощность которого является функцией относительного фазового сдвига, причем способ включает в себя использование такого делителя для отвода на центральный элемент (Е0) антенны доли мощности такого сигнала.
16. Способ по п.13, в котором преобразование первого и второго сигналов с относительным фазовым сдвигом и объединение пар разделенных сигналов реализуются с использованием преобразователей фазы в мощность и мощности в фазу, соответственно, которые содержат 90-градусные или 180-градусные гибридные элементы связи.
17. Способ по п.13, в котором этапы от а) до е) способа реализуются с использованием делителя (144), переменного фазовращателя (146) и схемы питания антенны (от 150 до 158), расположенных вместе с решеткой (160) антенных элементов для образования антенного блока с входом от одного фидера (165) для подачи RF входной мощности от удаленного источника.
18. Способ по п.13, в котором этапы а) и b) реализуются с использованием делителя (244Т1) и переменного фазовращателя (246Т1А), расположенных удаленно от решетки (205) антенных элементов, а этапы от с) до е) реализуются с использованием схемы (215) формирования наклона, расположенной вместе с решеткой (205) и образующей с ней антенный блок, который имеет двойной фидер (213А, 213В) для подачи RF мощности от удаленного источника.
19. Способ по п.18, в котором этап b) включает в себя изменение относительного фазового сдвига для изменения угла электрического наклона.
20. Способ по п.18, содержащий объединение сигналов, передаваемых от различных операторов (201, 202), которые совместно используют антенную систему (200), или разделение сигналов, передаваемых к этим операторам.
21. Способ по п.13, содержащий обеспечение для антенных элементов приема возбуждающих напряжений, которые спадают от максимума в центре антенной решетки до минимума на ее концах.
22. Способ по п.13, в котором этап d) включает в себя обеспечение для одного набора разделенных сигналов набора напряжений, которые увеличиваются от минимума до максимума, связанных с центром антенной решетки и ее концами, соответственно, таким образом, чтобы создать прогрессивный фазовый фронт вдоль антенной решетки, причем фазовый фронт, по существу, является линейным с увеличением угла наклона в рабочем диапазоне углов наклона, как требуется для приемлемого усиления на линии визирования и подавления боковых лепестков.
23. Способ по п.13, в котором
a) изменяемый фазовый сдвиг является изменяемым фазовым сдвигом. вносимым в канале передачи (173),
b) способ включает в себя внесение второго изменяемого фазового сдвига в канале приема (179),
c) антенная система (171) работает в одном направлении в режиме передачи и в обратном направлении в режиме приема, и
d) способ включает в себя независимую настройку углов электрического наклона антенной системы в режимах передачи и приема при помощи настройки первого и второго изменяемых фазовых сдвигов соответственно.
