RU2595941C2 - Система радиорелейной связи с подстройкой луча - Google Patents

Abstract

Настоящее изобретение относится к области систем радиосвязи, более конкретно к устройствам систем радиосвязи, содержащим антенну с возможностью электронного управления лучом. Техническим результатом изобретения является создание устройства системы радиосвязи со сканирующей антенной с большим коэффициентом усиления, обеспечивающей возможность суммирования мощности сигналов от нескольких выходов приемопередатчика без ухудшения его линейности. Устройство системы радиосвязи с управляемым лучом содержит множество антенных элементов на фокальной поверхности фокусирующего элемента, схему формирования луча, выполненную с возможностью распределения принятого сигнала от по меньшей мере одного антенного порта на все свои диаграммообразующие порты или суммирования передаваемых сигналов от всех своих диаграммообразующих портов на по меньшей мере один выбранный антенный порт, блок управления и приемопередатчик, содержащий по меньшей мере один радиочастотный модуль, выполненный с возможностью управления фазами на своем выходе, и схему суммирования/распределения принимаемых/передаваемых сигналов, а также необходимые связи между ними. 22 з.п. ф-лы, 6 ил.

Description

ОБЛАСТЬ ТЕХНИКИ

Настоящее изобретение относится к области систем радиосвязи, более конкретно к новым высокоскоростным устройствам систем радиосвязи, содержащим антенну с возможностью электронного управления лучом. Раскрытое устройство может быть эффективно использовано в различных системах радиосвязи миллиметрового диапазона длин волн, а именно в радиорелейных системах связи типа «точка-точка», включая системы для построения транспортных каналов мобильных сотовых систем связи, радарах, спутниковых и межспутниковых системах радиосвязи, локальных и персональных беспроводных сетях и так далее.

УРОВЕНЬ ТЕХНИКИ

Запрос на повышение скорости передачи данных приводит к все более широкому применению различных систем радиосвязи, работающих в миллиметровом диапазоне длин волн. Внедрение таких систем обусловлено, с одной стороны, наличием широкой полосы частот, доступной для использования в этом диапазоне, а с другой стороны, существенным технологическим развитием, наблюдаемым в несколько последних десятилетий и позволившим создавать современные, эффективные и дешевые (при массовом изготовлении) приемопередатчики, работающие в частотных диапазонах от 30 ГГц до более чем 100 ГГц. Современные системы радиосвязи миллиметрового диапазона длин волн включают, без ограничений, радиорелейные станции, обеспечивающие радиосоединение типа «точка-точка» и «точка-многоточка», автомобильные радары, локальные беспроводные сети, системы радиовидения и обнаружения скрытых предметов и так далее.

Эффективность систем радиосвязи миллиметрового диапазона длин волн определяется во многом характеристиками используемых антенн. В общем случае антенны таких систем должны обеспечивать большое значение коэффициента усиления и, как следствие, формировать узкий основной луч диаграммы направленности. Выполнение этого требования необходимо для эффективной (то есть с максимальной пропускной способностью) передачи данных на большие расстояния.

Требование большого значения коэффициента усиления вытекает напрямую из малости длины волны излучения рассматриваемого диапазона частот, что приводит к трудностям в передаче сигнала на большие расстояния при использовании антенн с недостаточным коэффициентом усиления. Более того, в миллиметровой области спектра становятся существенными и эффекты, связанные с погодными условиями и атмосферным поглощением электромагнитного излучения (например, в частотном диапазоне около 60 ГГц существенную роль играет эффект, связанный со спектральной линией поглощения кислорода, который приводит к дополнительному затуханию распространяющегося сигнала порядка 11 дБ на каждый километр). Указанные эффекты, связанные с поглощением, могут быть также скомпенсированы только за счет использования антенн с большим значением коэффициента усиления, так как уровень излучаемой передатчиком мощности обычно ограничен регуляторными требованиями или стоимостными соображениями.

Однако использование антенн с узким основным лучом диаграммы направленности приводит к возникновению ряда трудностей, связанных с юстировкой антенн в пространстве и с вероятными разрывами радиосоединения в случаях даже небольших изменений угловой ориентации радиорелейной станции. Еще одной важной проблемой является необходимость обеспечения автоматической начальной юстировки антенн в процессе установки и наладки, что позволило бы уменьшить время и стоимость процедуры установки. Для того чтобы обеспечить автоматическую подстройку направления луча в некотором непрерывном угловом диапазоне (шириной в несколько основных лучей диаграммы направленности) за короткое время без привлечения специально обученного квалифицированного персонала, апертурные антенны должны обеспечивать возможность электронного управления лучом. В других приложениях миллиметровой радиосвязи, например радарах или системах радиовидения, возможность электронного управления лучом позволяет исключить необходимость использования механических поворотных устройств (следовательно, увеличить износостойкость и отказоустойчивость) и тем самым уменьшить время обработки сигнала.

В более низких частотных диапазонах для решения вышеуказанных проблем традиционно используются фазированные антенные решетки с электронным управлением лучом. С развитием полупроводниковых технологий такие антенные решетки стали в некоторых случаях реализуемыми и в миллиметровом диапазоне длин волн. В частности,

несколько компаний и исследовательских групп во всем мире занимаются разработкой или уже поставляют интегральные микросхемы приемников, передатчиков и приемопередатчиков диапазона частот около 60 ГГц для использования в новом поколении Wi-Fi сетей по стандарту IEЕЕ 802.1 lad. Эти интегральные микросхемы приемопередатчиков имеют до 8-32 независимых выходов с контролируемыми фазами сигнала на несущей частоте (см., например, Cohen, E.; Jakobson, С; Ravid, S.; Ritter, D. "A thirty two element phased-array transceiver at 60 GHz with RF-BF conversion block in 90 nm flip chip CMOS process" // IEЕЕ Radio Frequency Integrated Circuits Symposium (RFIC), 2010). Структурная схема фазированной антенной решетки в классическом представлении показана на ФИГ. 1. Важно отметить, что в таких антенных решетках в теории возможно задать любое направление луча в некотором непрерывном диапазоне углов в зависимости от фазовых коэффициентов на каждом антенном элементе, установленных фазовращателями. Таким образом, фазированные антенные решетки способны обеспечить адаптивное управление лучом.

Другой вариант антенной решетки, известный из [Cetinoneri В.; Atesal Y. A.; Rebeiz G. М, "An 8x8 Butler Matrix in 0.13-um CMOS for 5-6-GHz Multibeam Applications" // IEЕЕ Transactions on microwave theory and techniques, Vol. 59, No. 2, February 2011], показан на ФИГ. 2. Он основан на использовании одного приемопередатчика, схемы переключения и матрицы Батлера. Матрица Батлера в типичном варианте реализации является пассивной взаимной схемой формирования луча и имеет N независимых (переключаемых) входов и N фазированных выходов. В зависимости от того, через какой из N независимых входов поступает сигнал, на всех выходах матрицы, соединенных с антенными элементами, формируется некоторое заранее определенное распределение фазы (обычно такое распределение является линейным). Таким образом, луч антенны отклоняется в требуемом направлении в одной плоскости. Другие важные свойства матриц Батлера включают:

1. Независимые (переключаемые) входы изолированы друг от друга;

2. Ни один из входов не обеспечивает формирование центрального луча;

3. Величина приращения фазы между соседними выходами матрицы определяется тем, какой из переключаемых входов используется для подведения сигнала.

Описанная антенная решетка с переключаемым положением луча и со схемой формирования луча рассматривается в качестве прототипа настоящего изобретения.

В примере, показанном на ФИГ. 2, размер матрицы Батлера равен 8x8 (порядок равен 8-ми), что позволяет формировать один из 8-ми различных близких по направлению лучей. Рассмотренное устройство системы радиосвязи является устройством с переключением луча в отличие от устройства системы с адаптивным управлением лучом, показанного на ФИГ. 1. Однако преимущество подхода с переключением направления луча заключается в том, что он требует использования приемопередатчика с одним радиочастотным каналом. Следует отметить, что размер матрицы Батлера и антенной решетки может быть и другим (но, предпочтительно, кратным двум), например, N = 4 или N = 16.

Одна из практических реализаций матрицы Батлера восьмого порядка (N = 8) показана на ФИГ, 3. Она включает 3-дБ направленные ответвители, фиксированные фазовращатели (элементы набега фазы) и переходные соединения. Все эти элементы известны из уровня техники и могут использоваться для приложений миллиметрового диапазона длин волн. Например, направленные ответвители могут быть реализованы как шлейфовые ответвители на линиях передачи, ответвители Ланге, как любые другие ответвители на связанных линиях, или в случае волноводов как ответвители Риблета (с короткой щелью).

Однако хорошо известно, что в обеих рассмотренных антенных решетках необходимо обеспечить расстояние между соседними антенными элементами порядка половины рабочей длин волны. Это требуется для предотвращения эффекта появления побочных боковых лепестков (максимумов множителя решетки) в диаграмме направленности. Указанное требование значительно ограничивает размер апертуры при фиксированном количестве антенных элементов и, как следствие, коэффициент усиления решетки не может быть увеличен более конкретного значения. Например, радиорелейные системы связи диапазонов частот около 60 ГГц и 70/80 ГГц требуют значения коэффициента усиления около 35-43 дБ, что может быть достигнуто только при использовании решетки с количеством антенных элементов порядка 1000-10000. Создание фазированных антенных решеток миллиметрового диапазона такого большого размера на практике невозможно в настоящее время в силу технологических ограничений.

Принципиально иным подходом является использование антенн с большой апертурой и возможностью дискретного переключения направления луча. Сканирование луча в таких антеннах обеспечивается за счет решетки переключаемых антенных

элементов, расположенной в фокальной плоскости некоторого фокусирующего рефлектора (зеркала) или линзы. Известно несколько конфигураций апертурных антенн миллиметрового диапазона, обеспечивающих одновременно и большое значение коэффициента усиления, и возможность электронного управления лучом. К этим антеннам относятся, например, различные зеркальные антенны (параболические или антенны Кассегрейна) и различные линзовые антенны (тонкие линзы с вынесенными облучателями, линзы Френеля, линзы Люнеберга, искусственные линзы на переотражающих решетках, интегрированные линзовые антенны). В случае таких антенн не возникает ограничений на значение коэффициента усиления, но в то же время эффективность сканирования является низкой. В частности, небольшое число дискретных направлений луча при сканировании ограничивает общий угловой диапазон сканирования. Также в апертурных антеннах с переключением положения луча проблемой являются большие потери в схемах переключения и невозможность суммирования мощности сигналов в пространстве по принципу классических антенных решеток. В апертурных антеннах с переключением луча в каждый момент времени только один из антенных элементов находится в активном состоянии, а в классических антенных решетках - сразу все элементы, излучаемая мощность от которых складывается в пространстве. Эти недостатки приводят к повышенным требованиям к линейности радиочасти устройства системы связи или к необходимости уменьшения мощности излучаемого сигнала.

Таким образом, существует необходимость в устройстве системы радиосвязи, обеспечивающем большое значение коэффициента усиления антенны и возможность эффективного электронного управления лучом с малыми потерями и суммированием мощности от антенных элементов без деградации линейности радиочасти или уменьшения излучаемой мощности. Решение указанных задач приведет к увеличению эффективности систем радиосвязи миллиметрового диапазона длин волн, а именно увеличению пропускной способности и расстояния, на котором обеспечивается качественное радиосоединение, а также и к упрощению начальной юстировки антенн и возможности автоматической подстройки луча во время работы.

СУЩНОСТЬ ИЗОБРЕТЕНИЯ

Рассмотренные выше задачи решены в раскрываемом устройстве системы радиосвязи с подстройкой луча, содержащем фокусирующий элемент с фокальной поверхностью, множество антенных элементов, расположенных, по существу, на указанной фокальной поверхности, схему формирования луча, имеющую множество антенных портов и множество диаграммообразующих портов, блок управления и приемопередатчик, содержащий по меньшей мере один радиочастотный модуль, каждый из которых выполнен с возможностью управления фазами сигналов на своем выходе, и схему суммирования принимаемых от радиочастотных модулей сигналов и распределения передаваемых к радиочастотным модулям сигналов , отличающееся тем, что каждый антенный порт схемы формирования луча соединен с по меньшей мере одним антенным элементом, каждый диаграммообразующий порт схемы формирования луча соединен с по меньшей мере одним выходом радиочастотного модуля приемопередатчика, а блок управления выполнен с возможностью генерации контрольных команд к радиочастотным модулям, в соответствии с которыми определяется распределение фаз сигналов на всех диаграммообразующих портах схемы формирования луча, причем схема формирования луча выполнена с возможностью распределения принятого сигнала от по меньшей мере одного антенного порта на все диаграмообразующие порты или суммирования передаваемых сигналов от всех своих диаграммообразующих портов на по меньшей мере один антенный порт, выбранный в соответствии с указанным распределением фаз, причем каждый радиочастотный модуль приемопередатчика содержит по меньшей мере один управляемый фазовращатель, один переключатель приема и передачи, один малошумящий усилитель, один усилитель мощности, один повышающий и один понижающий смесители.

В устройстве системы радиосвязи в соответствии с настоящим изобретением фокусирующий элемент фокусирует излучение от одного антенного элемента в некотором определенном направлении, формируя таким образом узкий луч диаграммы направленности и обеспечивая большое значение коэффициента усиления. Эффективное управление лучом достигается за счет размещения антенных элементов на фокальной поверхности фокусирующего элемента с различным смещением относительно его оси. В этом случае излучение от антенных элементов, расположенных на различных смещениях, фокусируется в различных направлениях. Суммирование мощности достигается благодаря использованию схемы формирования луча, которая суммирует (в случае передачи) мощность сигналов от всех диаграммообразующих портов на по меньшей мере одном

антенном порте (или наоборот распределяет мощность от одного антенного порта на все диаграммообразующие порты в случае приема), выбор которого определяется распределением фаз сигналов, сформированных на диаграммообразующих портах. Это позволяет обеспечить больший уровень выходной мощности передатчика с ослабленными требованиями к линейности цепей приемопередатчика, что и является основным техническим результатом настоящего изобретения. Важно отметить, что в раскрываемом устройстве эффективно используется свойство обратимости схемы формирования луча. Так, в системах, известных из уровня техники, схема формирования луча используется для формирования необходимого фазового распределения на антенных элементах, различного в зависимости от того, какой из изолированных входных портов используется для подведения сигнала. В устройстве, раскрываемом в настоящем изобретении, наоборот, фазовое распределение на диаграммообразующих входных портах обеспечивает возбуждение одного антенного элемента (с суммированием мощности) посредством одного антенного выходного порта схемы формирования луча.

В соответствии с одной реализацией раскрываемого устройства системы радиосвязи, схема формирования луча является матрицей Батлера. Этот тип взаимной схемы формирования луча обеспечивает суммирование мощности на одном антенном порте от всех диаграммообразующих портов. В этом случае на этих портах матрицы Батлера приемопередатчиком формируются линейные распределения фазы с различными приращениями.

В одной реализации настоящего изобретения матрица Батлера содержит по меньшей мере один направленный ответвитель, один фиксированный фазовращатель и одно переходное соединение. Эти элементы являются типовыми при реализации матриц Батлера любого порядка.

В еще одной реализации настоящего изобретения указанная схема формирования луча выполнена на полупроводниковой интегральной микросхеме. Это обеспечивает миниатюризацию устройства, но в то же время может приводить и к его удорожанию, так как требуется большая площадь микросхемы.

В другой реализации настоящего изобретения схема формирования луча выполнена по технологии печатных плат. В этом случае потери и себестоимость изготовления схемы минимизируются.

В еще одной реализации настоящего изобретения приемопередатчик выполнен в виде по меньшей мере одной интегральной микросхемы. Такие микросхемы устанавливаются в данной реализации на печатную плату, обеспечивая эффективную сборку и уменьшение размеров устройств.

В другой реализации указанный фокусирующий элемент является параболическим зеркалом, либо тонкой диэлектрической линзой, либо линзой Люнеберга. Эти фокусирующие элементы являются традиционными в антеннах миллиметрового диапазона с большим значением коэффициента усиления.

В еще одной реализации настоящего изобретения указанный фокусирующий элемент является диэлектрической линзой с плоской поверхностью, по существу совпадающей с фокальной поверхностью линзы, на которой в различных смещениях от оси линзы расположены первичные антенные элементы. В более конкретной реализации схема формирования луча, приемопередатчик и антенные элементы выполнены в виде одной сборки на печатной плате, причем эта плата установлена на плоской поверхности линзы. В этой предпочтительной реализации обеспечивается эффективное устройство системы радиосвязи с наименьшим количеством компонентов, что уменьшает стоимость изготовления.

В еще одной реализации антенные элементы являются микрополосковыми антенными элементами, выполненными на печатной плате. Причем в более частных реализациях могут использоваться различные типы микрополосковых антенных элементов в зависимости от технических требований и типа фокусирующего элемента.

В другой реализации антенные элементы являются рупорными антенными элементами. Эта реализация предпочтительна в тех случаях, когда необходимо увеличение апертурной эффективности и эффективности излучения (КПД) антенны.

В различных реализациях настоящего изобретения антенные элементы могут формировать линейную или двухмерную решетку, установленную на фокальной поверхности фокусирующего элемента. Таким образом, раскрытое устройство системы радиосвязи способно обеспечить сканирование и в одной плоскости и в двухмерном угловом пространстве. Важно отметить особенность устройства по настоящему изобретению, заключающуюся в том, что одномерная схема формирования луча может использоваться для обеспечения двухмерного сканирования луча, что невозможно в устройствах систем радиосвязи, известных из уровня техники. В известных из уровня

техники устройствах для обеспечения двухмерного сканирования требуются и соответствующие двухмерные схемы формирования луча, что подразумевает большие трудности при практической реализации.

В одной из реализаций настоящего изобретения каждый управляемый фазовращатель включен в радиочастотный тракт радиочастотного модуля для управления фазой сигналов на высокой несущей частоте. Управление фазой на несущей частоте обеспечивает преимущество более высокого динамического диапазона приемопередатчика, но предполагает наличие дополнительных потерь, связанных со сложностью реализации фазовращателей миллиметрового диапазона длин волн.

В соответствии с еще одной реализацией управляемый фазовращатель включен в низкочастотный (или промежуточный по частоте) тракт радиочастотного модуля для управления фазой сигналов на аналоговой или промежуточной частоте. Такая схема управления фазой значительно облегчает реализацию фазовращателей, но требует использования множества повышающих и понижающих смесителей, что не является оптимальным с точки зрения стоимости. Также такая схема повышает требования к динамическому диапазону смесителей для устойчивости к влиянию возможных сильных помех.

В еще одной реализации управляемый фазовращатель включен в тракт формирования сигнала гетеродина радиочастотного модуля для управления фазой этого сигнала. В этом случае потери в фазовращателях, их нелинейность и шумовые параметры не оказывают прямого влияния на характеристики приемопередатчика. Однако такая архитектура также требует большого количества функциональных элементов.

В еще одной реализации управляемые фазовращатели и схема суммирования и распределения сигналов выполнены в виде блоков цифровой логики, а соответствующие операции выполняются с цифровым сигналом. Эта наиболее эффективная архитектура с технической точки зрения, однако, на практике она труднореализуема в силу значительных требований к характеристикам блоков цифро-аналогового и аналого-цифрового преобразователей, а также и их большой себестоимости.

В еще одной реализации блок управления выполнен в виде блока цифровой логики с обеспечением возможности генерации управляющих сигналов для управляемых фазовращателей каждого радиочастотного модуля.

В еще одной реализации настоящего изобретения устройство системы радиосвязи адаптировано для использования в частотном диапазоне 71-86 ГГц и обеспечения ширины луча антенны по уровню половинной мощности менее чем 1° для всех формируемых при сканировании лучей.

В еще одной реализации настоящего изобретения устройство системы радиосвязи адаптировано для использования в частотном диапазоне 57-66 ГГц и обеспечения ширины луча антенны по уровню половинной мощности менее чем 3° для всех формируемых при сканировании лучей.

Согласно еще одному варианту реализации настоящего изобретения устройство системы радиосвязи адаптировано для обеспечения высокоскоростной связи типа «точка-точка» или «точка-многоточка» миллиметрового диапазона длин волн и для автоматической подстройки луча антенны при проведении процедуры начальной юстировки или в случаях изменения ориентации антенн в процессе работы.

Дополнительные особенности и преимущества заявляемого изобретения могут быть понятны из последующего описания предпочтительных вариантов реализации со ссылками на чертежи. Сходные элементы на чертежах показаны с одинаковыми позиционными обозначениями.

КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ

На ФИГ. 1 показана схематическая структура известного из уровня техники устройства фазированной антенной решетки.

На ФИГ. 2 показана схематическая структура известного из уровня техники устройства антенной решетки с электронно-переключаемым лучом за счет использования схемы формирования луча.

ФИГ. 3 иллюстрирует известную из уровня техники структуру матрицы Батлера размера 8x8.

На ФИГ. 4 показана блок-схема устройства системы высокоскоростной радиосвязи с электронным сканированием луча в соответствии с одной реализацией настоящего изобретения.

На ФИГ. 5а-в показаны различные схемы архитектур радиочастотных модулей приемопередатчика с возможностью управления фазами выходных сигналов: а) архитектура с множеством смесителей и управлением фазой на несущей или промежуточной частоте; б) архитектура с управлением фазой в цепи формирования сигнала гетеродина; в) архитектура с блоками управления фазой и суммирования/распределения мощности, выполненными в виде блоков цифровой логики.

На ФИГ. 6 показано, в соответствии с настоящим изобретением, устройство системы радиосвязи со сканирующей интегрированной линзовой антенной и печатной платой, на которой установлены приемопередающие модули и вьполнена матрица Батлера.

ДЕТАЛЬНОЕ ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

В соответствии с изобретением предложено устройство высокоскоростной системы радиорелейной связи со сканирующей антенной с большим коэффициентом усиления, обеспечивающее низкие потери и возможность суммирования мощности сигналов от нескольких выходов приемопередатчика без ухудшения его линейности.

Пример устройства системы радиосвязи 100 в соответствии с изобретением представлен на ФИГ. 4. Устройство 100 содержит диэлектрическую линзу 10, множество антенных элементов 20-1...20-N, которые являются первичными облучателями линзы 10, схему формирования луча 30, выполненную в виде матрицы Батлера, и приемопередатчик 40 с множеством выходов, на которых обеспечена возможность управления и подстройки фазы передаваемых и принимаемых сигналов. Также устройство 100 содержит блок управления 50, который реализует алгоритмы и команды для управления фазами сигналов на каждом из выходов приемопередатчика 40 посредством управляющих каналов 60 между блоком управления и приемопередатчиком 40. В этом примере радиочастотные модули 42-1...42-N приемопередатчика 40 осуществляют усиление сигнала и частотное преобразование вниз и вверх принимаемых и передаваемых сигналов, а входящие в их состав фазовращатели 41-1.. .41-N подстраивают фазы радиосигналов на высокой несущей частоте. Схема суммирования/распределения мощности 43 в этом примере оперирует с сигналами на промежуточной или основной частоте. Другие необходимые операции с сигналами на промежуточной или основной частоте выполняются в общем модуле 44

приемопередатчика 40. Выход этого модуля 44 соединен с цифровым модемом через цифро-аналоговый и аналого-цифровой преобразователи (не показаны на фигуре).

Устройство 100 работает следующим образом. Передаваемый цифровой сигнал, сформированный цифровым модемом, поступает на общий модуль 44 приемопередатчика 40. Данный модуль производит обработку сигнала перед его распределением на несколько каналов посредством схемы суммирования/распределения мощности 43. Сигнал в каждом канале затем поступает на радиочастотные модули 42-1...42-N, задачей которых является усиление сигналов до необходимых уровней и перенос их на несущую частоту. Дополнительно, в соответствии с изобретением, данные радиочастотные модули 42-1...42-N осуществляют подстройку фазы сформированных на несущей частоте сигналов посредством входящих в их состав управляемых фазовращателей 41-1...41-N. При этом конкретные распределения фаз сигналов на всех выходах радиочастотных модулей 42-1...42-N формируются под воздействием управляющих команд от блока управления 50. Сформированные таким образом сигналы на высокой несущей частоте поступают на диаграммообразующие порты схемы формирования луча 30. Схема формирования луча 30 производит сложение поступивших сигналов в один из своих антенных портов, который определяется исходя из сформированного распределения фаз поступивших сигналов. Общий сигнал из указанного антенного порта схемы формирования луча 30 поступает на один из антенных элементов 20-1...20-N, который соединен с данным антенным портом. Этот антенный элемент излучает сигнал, а диэлектрическая линза 10 фокусирует излученный сигнал в направлении, заранее заданном положением активного антенного элемента на фокальной плоскости линзы относительно ее оси. При этом направление излучения уже не зависит от фазы поступающего сигнала. Работа устройства на прием обратна описанному выше. Все элементы устройства выполняют обратные задачи.

Схема матрицы Батлера 30 в рассматриваемом примере на ФИГ. 4 имеет размерность NxN и осуществляет объединение передаваемых сигналов, поступающих от выходов приемопередатчика 40, на один из своих антенных портов. Вследствие такого объединения облегчаются требования к линейности и выходной мощности каждого из радиочастотных модулей 42-1...42-N. В случае приема схема матрицы Батлера 30 распределяет поступающий от одного антенного порта сигнал на все диаграммообразующие порты. После подстройки фазы и преобразования частоты вниз все сигналы опять объединяются для последующего демодулирования. Таким образом, в рассмотренном устройстве только один антенный элемент используется в каждый момент

времени, остальные антенные элементы в это время неактивны. Такой принцип работы матрицы Батлера отличается от того, который используется в традиционных антенных решетках, где все антенные элементы участвуют в передаче или приеме сигналов.

Выбор конкретного антенного элемента для приема или передачи сигнала в раскрытом устройстве определяется тем, какое из заранее заданных распределений фазовых коэффициентов установлено приемопередатчиком на диаграммообразующих портах матрицы Батлера. В одном варианте эти распределения фаз являются набором линейных распределений с различными значениями приращений фазы между соседними портами. Установка этих распределений должна поддерживаться функциональностью приемопередатчика и обеспечиваться командами блока управления через выделенные управляющие каналы.

Основным техническим результатом, обеспечиваемым изобретением, реализованным по рассмотренному примеру, является возможность комбинирования мощности всех выходов единого приемопередатчика с несколькими радиочастотными модулями на одном антенном элементе. Одновременно при этом обеспечивается сканирование луча с фактически неограниченным значением коэффициента усиления. Это значение в раскрытом устройстве определяется только размером апертуры линзы (или другого фокусирующего элемента). Сканирование луча в этом случае обеспечивается за счет активации различных антенных элементов, расположенных в фокальной плоскости линзы с разным смещением относительно ее оси. Дополнительным преимуществом является то, что одномерная матрица Батлера может обеспечивать в раскрытом устройстве двухмерное сканирование луча (за счет соответствующего двухмерного расположения антенных элементов), что невозможно в антенных решетках, рассматриваемых в уровне техники.

Существует множество различных возможных практических реализаций раскрытого устройства системы радиосвязи. В одном примере приемопередатчик может быть реализован на одной или нескольких интегральных микросхемах, которые могут устанавливаться на печатную плату, формируя единую сборку на плате. Более того, матрица Батлера может быть выполнена либо на той же печатной плате, либо на отдельной микросхеме, либо интегрироваться на той же микросхеме, на которой реализован приемопередатчик. В одной из предпочтительных реализаций антенные элементы выполняются на той же печатной плате в виде, например, микрополосковых

антенных элементов. Однако понятно, что и другие реализации антенных элементов (например, на интегральной микросхеме) также возможны.

Все элементы и компоненты раскрытого устройства известны из уровня техники и могут быть выполнены, используя известные технологии изготовления печатных плат и интегральных микросхем, работающих вплоть до миллиметрового диапазона длин волн.

На ФИГ. 5а-в показаны схемы различных архитектур приемопередатчиков с множеством радиочастотных модулей, которые могут использоваться в раскрытом устройстве системы радиосвязи. Все эти архитектуры обеспечивают возможность подстройки фаз сигналов на множестве своих выходов. На ФИГ. 5а представлена архитектура с множеством смесителей и управлением фазой на несущей или промежуточной частоте; на ФИГ. 5б - архитектура с управлением фазой в цепи формирования сигнала гетеродина; а на ФИГ. 5в - архитектура с блоками управления фазой и суммирования/распределения мощности, выполненными в виде цифровой логики. Все рассмотренные архитектуры включают переключатель между приемником и передатчиком для обеспечения режима временного дуплексирования приемопередачи. Фазированные выходы приемопередатчика подключаются к диаграммообразующим портам схемы формирования луча.

Ниже для примера рассмотрена работа приемопередатчика по ФИГ. 5а на передачу. На данной фигуре не показан общий модуль, выполняющий различные несущественные для понимания изобретения операции (например, формирование сигнала на промежуточной частоте). Схема распределения и схема суммирования сигнала логически разнесены. В случае передачи сигнал, поступающий на схему распределения, распределяется на несколько каналов, каждый из разделенных сигналов поступает на смеситель радиочастотного модуля. При этом схема формирования сигнала гетеродина (локального осциллятора - ЛО) в данном примере является общей для всех радиочастотных модулей, а значит функционально относится к общему модулю приемопередатчика. Смеситель каждого радиочастотного модуля забрасывает поступивший сигнал на высокую несущую частоту. После этого сигнал поступает на усилитель мощности (УМ), где усиливается до необходимого или максимально возможного уровня. После этого в моменты времени, специально выделенные для передачи и регулируемые переключателем, сигнал поступает на вход управляемого фазовращателя, контролируемого блоком управления. Фазовращатель изменяет фазу

проходящего сигнала на требуемую величину. Далее сигнал выходит из канала приемопередатчика. Пунктирными стрелками показаны другие возможные месторасположения фазовращателя в радиочастотных модулях. Важно, что каждое из этих расположений позволяет в итоге определять и управлять фазой сигнала на выходе приемопередатчика.

Работа устройств по ФИГ 5б и 5в во многом аналогична. Отличие в работе устройства по ФИГ 5б состоит в том, что в каждом радиочастотном модуле подстраивается фаза сигнала опорного гетеродина. При формировании передаваемого сигнала на несущей частоте это приводит к аналогичному результату - управлению фазой сигнала на выходе приемопередатчика. Соответственно и на прием аналогичным образом фазы сигналов будут подстраиваться для эффективного суммирования в приемопередатчике. Устройство по ФИГ 5в отличается тем, что схема суммирования и распределения мощности производит суммирование и разделение сигналов в цифровой форме. Соответственно и подстройка фазы осуществляется с помощью цифровых управляемых фазовращателей. Таким образом, итоговое распределение фаз сигналов на выходах приемопередатчиков закладывается еще на этапе формирования цифрового сигнала. А фаза принимаемых сигналов корректируется уже после преобразования сигналов в цифровую форму.

Таким образом, можно выделить общие блоки радиочастотного модуля для любой из рассмотренных конфигураций: по меньшей мере один управляемый фазовращатель, один переключатель приема и передачи, один малошумящий усилитель, один усилитель мощности, один повышающий и один понижающий смесители. При этом соединение блоков между собой может производиться по-разному, обеспечивая один и тот же результат, например, в соответствии с одним из трех примеров, представленных на ФИГ 5а-в. Также в состав каждого радиочастотного модуля могут входить и дополнительные элементы, например, цифро-аналоговые и аналого-цифровые преобразователи, усилители промежуточной частоты, аттенюаторы, фильтры и т.п. в соответствии с общей теорией построения приемопередающих устройств, рассмотренной, например, в книге [В. Razavi, RF Microelectronics, Prentice Hall PTR, 1998, 345 pp.].

На ФИГ. 6 изображено устройство системы радиосвязи 200, выполненное в соответствии с одной из предпочтительных реализаций настоящего изобретения. Устройство 200 содержит сканирующую интегрированную линзовую антенну и сборку 60

на печатной плате с микросхемой приемопередатчика 61 и матрицей Батлера 62. Преимущество указанной антенны заключается в установке антенных элементов 63 непосредственно на задней фокальной поверхности 71 линзы 70. Линза 70 выполнена из однородного диэлектрического материала и имеет коллимирующую часть 72 и часть продолжения 73. Коллимирующая часть 72 может иметь эллиптическую или полусферическую форму, а часть продолжения может быть модифицирована различными способами для облегчения сборки антенны с корпусом устройства (корпус на фигуре не показан). В представленном примере реализации сборка на печатной плате 60, установленной на поверхности 71 линзы 70, содержит антенные элементы 63, матрицу Батлера 62, микросхему приемопередатчика 61, и линии передачи 64 для электрического соединения элементов друг с другом. Приемопередатчик 61 может быть в других реализациях выполнен также и на нескольких микросхемах, установленных на печатную плату, и соединенных с линиями передачи с помощью технологий микросварки или методом перевернутых кристаллов. Антенные элементы 63 в представленном на ФИГ. 6 примере реализации выполнены как микрополосковые антенные элементы. В других реализациях они могут быть выполнены как, например, излучатели щелевого типа, монополи, диполи, спиральные излучатели, и т.д. Также понятно, что вместо интегрированной линзовой антенны в качестве фокусирующего элемента в некоторых реализациях могут использоваться, например, тонкие линзы, линзы Люнеберга, зеркальные отражатели и т.д.

Рассмотренные предпочтительные реализации показывают преимущества раскрытого устройства системы радиосвязи. В частности, устройство способно обеспечить эффективное сканирование луча в антеннах с большим коэффициентом усиления с одновременным обеспечением всех преимуществ фазированных антенных решеток, таких как возможность суммирования/распределения мощности сигнала между несколькими высокочастотными усилителями, что приводит, как следствие, к облегчению требований по линейности и увеличению выходной мощности передатчика.

Раскрытое устройство системы радиосвязи по любой из реализаций может быть использовано в различных приложениях радиосвязи миллиметрового диапазона длин волн, как, например, в радиорелейных линиях связи типа «точка-точка» в частотных диапазонах 57-66 ГГц, 71-76/81-86 ГГц, 92-95 ГГц, в радарах частотных диапазонов около 77 ГГц и 94 ГГц, и т.д. Также устройство в различных реализациях настоящего изобретения может обеспечивать ширину основного луча диаграммы направленности

антенны менее 3 градусов или менее 1 градуса за счет использования антенны с апертурой соответствующего размера без необходимости увеличения количества антенных элементов.

Настоящее изобретение не ограничено конкретными вариантами реализации, раскрытыми в данном описании лишь в иллюстративных целях, и охватывает все модификации и варианты, не выходящие за рамки объема и сущности изобретения, которые определены формулой изобретения.

Claims (23)

1. Устройство системы радиосвязи с управляемым лучом, содержащее фокусирующий элемент с фокальной поверхностью, множество антенных элементов, расположенных, по существу, на указанной фокальной поверхности, схему формирования луча, имеющую множество антенных портов и множество диаграммообразующих портов, блок управления и приемопередатчик, содержащий по меньшей мере один радиочастотный модуль, каждый из которых выполнен с возможностью управления фазами сигналов на своем выходе, и схему суммирования принимаемых от радиочастотных модулей сигналов и распределения передаваемых к радиочастотным модулям сигналов, отличающееся тем, что каждый антенный порт схемы формирования луча соединен с по меньшей мере одним антенным элементом, каждый диаграммообразующий порт схемы формирования луча соединен с по меньшей мере одним выходом радиочастотного модуля приемопередатчика, а блок управления выполнен с возможностью генерации контрольных команд к радиочастотным модулям, в соответствии с которыми определяется распределение фаз сигналов на всех диаграммообразующих портах схемы формирования луча, причем схема формирования луча выполнена с возможностью распределения принятого сигнала от по меньшей мере одного антенного порта на все диаграммообразующие порты или суммирования передаваемых сигналов от всех своих диаграммообразующих портов на по меньшей мере один антенный порт, выбранный в соответствии с указанным распределением фаз, причем каждый радиочастотный модуль приемопередатчика содержит по меньшей мере один управляемый фазовращатель, один переключатель приема и передачи, один малошумящий усилитель, один усилитель мощности, один повышающий и один понижающий смесители.

2. Устройство по п. 1, в котором схема формирования луча является матрицей Батлера.

3. Устройство по п. 2, в котором матрица Батлера содержит по меньшей мере один направленный ответвитель, один фиксированный фазовращатель и одно переходное соединение.

4. Устройство по п. 1, в котором указанная схема формирования луча выполнена на полупроводниковой интегральной микросхеме.

5. Устройство по п. 1, в котором указанная схема формирования луча выполнена на печатной плате.

6. Устройство по п. 1, в котором приемопередатчик выполнен в виде по меньшей мере одной полупроводниковой интегральной микросхемы.

7. Устройство по п. 1, в котором указанный фокусирующий элемент является параболическим зеркалом.

8. Устройство по п. 1, в котором указанный фокусирующий элемент является тонкой диэлектрической линзой.

9. Устройство по п. 1, в котором указанный фокусирующий элемент является линзой Люнеберга.

10. Устройство по п. 1, в котором указанный фокусирующий элемент является диэлектрической линзой с плоской поверхностью, по существу, совпадающей с фокальной поверхностью линзы, на которой в различных смещениях от оси линзы расположены антенные элементы.

11. Устройство по п. 8, в котором схема формирования луча, приемопередатчик и антенные элементы выполнены в виде одной сборки на печатной плате, причем эта плата установлена на плоской поверхности линзы.

12. Устройство по п. 1, в котором антенные элементы являются микрополосковыми антенными элементами, выполненными на печатной плате.

13. Устройство по п. 1, в котором антенные элементы являются рупорными антенными элементами.

14. Устройство по п. 1, в котором антенные элементы расположены вдоль одной линии в линейную решетку на фокальной поверхности фокусирующего элемента.

15. Устройство по п. 1, в котором антенные элементы расположены в двумерную решетку на фокальной поверхности фокусирующего элемента.

16. Устройство по п. 1, в котором каждый управляемый фазовращатель включен в радиочастотный тракт радиочастотного модуля для управления фазой сигналов на высокой несущей частоте.

17. Устройство по п. 1, в котором каждый управляемый фазовращатель включен в низкочастотный (или промежуточный по частоте) тракт радиочастотного модуля для управления фазой сигналов на аналоговой или промежуточной частоте.

18. Устройство по п. 1, в котором каждый управляемый фазовращатель включен в тракт формирования сигнала гетеродина радиочастотного модуля для управления фазой этого сигнала.

19. Устройство по п. 1, в котором каждый радиочастотный модуль приемопередатчика дополнительно содержит один цифроаналоговый и один аналого-цифровой преобразователь, причем управляемые фазовращатели и схема суммирования и распределения сигналов выполнены в виде блоков цифровой логики, а соответствующие операции выполняются с цифровым сигналом.

20. Устройство по п. 1, в котором блок управления выполнен в виде блока цифровой логики с обеспечением возможности генерации управляющих сигналов для управляемых фазовращателей каждого радиочастотного модуля.

21. Устройство по любому из пп. 1-19, адаптированное для использования в частотном диапазоне 71-86 ГГц и обеспечения ширины луча антенны по уровню половинной мощности менее чем 1° для всех формируемых при сканировании лучей.

22. Устройство по любому из пп. 1-19, адаптированное для использования в частотном диапазоне 57-66 ГГц и обеспечения ширины луча антенны по уровню половинной мощности менее чем 3° для всех формируемых при сканировании лучей.

23. Устройство по п. 1, адаптированное для обеспечения высокоскоростной связи типа "точка-точка" или "точка-многоточка" миллиметрового диапазона длин волн и для автоматической подстройки луча антенны при проведении процедуры начальной юстировки или в случаях изменения ориентации антенн в процессе работы.

Images