Способ возбуждения антенны базовой станции подвижной радиосвязи

Изобретение относится к антенной технике и может быть использовано в приемопередающей антенне базовой станции подвижной радиосвязи в метровом и дециметровом диапазонах волн. Антенна содержит вертикально ориентированную линейную решетку излучателей и фидерное устройство, возбуждающее излучатели. Техническим результатом является устранение всех нулей диаграммы направленности антенной линейной решетки в вертикальной плоскости. Согласно настоящему способу излучатели решетки, за исключением центрального, возбуждены равноамплитудно и синфазно, что позволяет использовать стандартную схему фидерного устройства с модификацией только той линии передачи, которая питает центральный излучатель решетки. Центральный излучатель возбужден так, что его амплитуда возбуждения превышает амплитуду возбуждения остальных излучателей в К раз, а фаза возбуждения центрального излучателя отличается от фазы возбуждения остальных излучателей на величину Δϕ, причем значения К и Δϕ выбраны из соотношения, приведенного в формуле изобретения. 3 ил.

 

Изобретение относится к антенной технике и может быть использовано в качестве приемопередающей антенны базовой станции подвижной радиосвязи в метровом и дециметровом диапазонах волн.

Известна коллинеарная антенна, представляющая собой вертикальный вибратор, разделенный вдоль своей длины фазоинвертирующими элементами (Антенны KATHREIN для систем подвижной связи. Технические характеристики. Каталог на компакт-диске. - KATHREIN - WERKE KG. Germany 2000). Такая антенна широко используется в базовых станциях подвижной радиосвязи, однако ее коэффициент усиления ограничен (как правило, не превышает 10 дБ), поэтому для увеличения дальности радиосвязи приходится увеличивать излучаемую мощность или чувствительность приемной аппаратуры.

Известна панельная антенна для базовой станции сотовой связи (Сб. Антенны, №8-9 (63-64), 2002, с.56-61), содержащая антенную решетку из вертикально ориентированных коллинеарных вибраторов и фидерное (распределительное) устройство, обеспечивающее синфазное и равноамплитудное возбуждение излучателей. Такое возбуждение, как известно, дает максимальное значение коэффициента направленного действия (КНД) решетки при условии, что взаимной связью можно пренебречь.

Диаграмма направленности панельной антенны в горизонтальной плоскости имеет секторную форму с шириной луча 60°-120° за счет металлического экрана, расположенного параллельно вибраторам. Диаграмма направленности в вертикальной плоскости имеет узкий луч (за счет направленных свойств решетки), который ориентируют на границу зоны обслуживания. Повышение КНД достигается за счет увеличения числа вибраторов и соответствующего увеличения вертикального размера антенны. Высокие значения КНД, а значит и коэффициента усиления (КУ), достигающие для некоторых образцов 20 дБ, позволяют обслуживать зону больших размеров при небольшой излучаемой мощности.

Однако повышение КНД и КУ сопровождается уменьшением ширины главного максимума диаграммы направленности в вертикальной плоскости и возрастанию числа интерференционных нулей, то есть направлений нулевого излучения, что приводит к появлению зон неуверенного приема. Известно, что число интерференционных нулей в нижнем полупространстве примерно равно вертикальному размеру решетки, выраженному в длинах волн. Особенно неблагоприятно на качестве связи сказываются ближайшие к главному максимуму нули, которые соответствуют удаленным точкам приема.

Наиболее близкой по технической сущности к предлагаемому изобретению является панельная антенна (Бузов А.Л. УКВ антенны для радиосвязи с подвижными объектами, радиовещания и телевидения. - М. Радио и связь, 1997, с.16-21), содержащая антенную решетку (многоэтажную структуру) и фидерное устройство, возбуждающее излучатели (этажи) антенной решетки равноамплитудно и с некоторой расфазировкой по отношению синфазному распределению. Указанная расфазировка (см. там же, стр.21) позволяет устранить интерференционные нули диаграммы направленности в вертикальной плоскости, однако приводит к усложнению фидерного устройства. Действительно, равноамплитудное и синфазное возбуждение излучателей в известных решетках осуществляется фидерным устройством, построенным по параллельной схеме, содержащей однотипные отрезки линий передачи и распределители мощности (делители). Необходимость расфазировки приводит к тому, что линии передачи, питающие излучатели (этажи) должны иметь различающиеся между собой длины, причем разность длин определяется расчетным путем на этапе проектирования устройства. Универсальный алгоритм, позволяющий определить необходимую расфазировку, отсутствует, поэтому для каждого варианта необходим персональный расчет по выбору разности фаз и соответствующих длин линий передачи, питающих излучатели. Для антенн, предназначенных для УКВ ЧМ вещания (см. там же, стр.24-27), число этажей не превышает четырех, поэтому расчет и монтаж фидерного устройства усложняется незначительно. В то же время для антенн, предназначенных для базовых станций подвижной (сотовой) связи с большим размером обслуживаемой зоны, число излучателей велико (N>6), поэтому расчет и монтаж фидерного устройства оказывается сложным. Таким образом, недостаток известной антенны - сложность фидерного устройства, приводит к сложности ее проектирования и монтажа, что затрудняет создание антенн с высоким коэффициентом усиления, предназначенных для базовых станций подвижной связи.

Техническим результатом является упрощение фидерного устройства панельной антенны при устранении всех нулей диаграммы направленности в вертикальной плоскости.

Упрощение фидерного устройства достигается за счет того, что все излучатели решетки, за исключением центрального, возбуждены равноамплитудно и синфазно, что позволяет использовать стандартную схему фидерного устройства с модификацией только той линии передачи, которая питает центральный излучатель решетки. Этот признак отличает предлагаемую антенну от прототипа, где изменены линии передачи всех излучателей.

Устранение всех нулей диаграммы направленности в вертикальной плоскости достигается за счет того, что центральный излучатель возбужден так, что его амплитуда возбуждения превышает амплитуду возбуждения остальных излучателей в К раз, а фаза возбуждения центрального излучателя отличается от фазы возбуждения остальных излучателей на величину Δϕ, причем значения К и Δϕ выбраны из соотношения:

где N - число излучателей в решетке (нечетное); δ - заданное минимальное значение нормированной диаграммы направленности в вертикальной плоскости в направлении, ближайшем к главному максимуму.

Этот признак представляет собой соотношение, которое дает взаимосвязь между параметрами антенны и, как показано ниже (см. описание работы устройства), обеспечивает устранение всех нулей диаграммы направленности в вертикальной плоскости.

На фиг.1 изображена схема предлагаемой антенны. На фиг.2 изображен согласованный делитель мощности. На фиг.3 изображены диаграммы направленности антенны в вертикальной плоскости.

Изображения на фиг.1: 1 - вертикально ориентированная решетка излучателей; 2 - фидерное устройство; 3 - согласованный делитель мощности; 4 - дополнительный отрезок линии передачи.

Изображения на фиг.2: схема согласованного делителя мощности 3.

Изображения на фиг.3: 1 - диаграмма направленности в вертикальной плоскости антенной решетки (7 коллинеарных вибраторов с периодом 0,75λ) при синфазно-равноамплитудном возбуждении; 2 - диаграмма направленности предлагаемой антенны в вертикальной плоскости.

Предлагаемая антенна базовой станции подвижной радиосвязи содержит вертикально ориентированную решетку излучателей 1 и фидерное устройство 2, возбуждающее излучатели.

Предлагаемая антенна базовой станции подвижной радиосвязи работает следующим образом. (Далее рассмотрена работа антенны в режиме передачи). СВЧ-сигнал поступает на вход фидерного устройства и распределяется по входам излучателей 1. Диаграмма направленности антенной решетки в вертикальной плоскости (ДНВП) дается известным выражением:

где I_n - комплексная амплитуда тока на входе излучателя с номером n; f_n(θ) - диаграмма направленности излучателя с номером n; θ - угол, отсчитываемый от горизонтального направления; k=2π/λ; λ - длина волны; х_n - координата излучателя с номером n, отсчитывается от центрального излучателя; - мнимая единица; N=2М+1 - число излучателей в решетке.

Учтем, что, согласно формуле изобретения, все токи, кроме центрального, равны некоторой константе, которую без ограничения общности положим равной единице:

а ток на центральном излучателе равен

Используя соотношение, приведенное в формуле изобретения, запишем выражение (3) в виде

Подставив выражения (2) и (4) в (1), получим выражение для ДНВП предлагаемой антенны:

где диаграмма направленности решетки при синфазно-равноамплитудном возбуждении; f₀(θ) - диаграмма направленности центрального излучателя.

ДНВП предлагаемой антенны по модулю, согласно (5), дается выражением:

Учтем, что диаграмма направленности центрального излучателя f₀(θ) является слабонаправленной и не имеет нулей в угловом секторе обслуживания, тогда ясно, что ДНВП предлагаемой антенны (6) не имеет нулей. Действительно, пусть θ_m - угловые положения нулей ДНВП для синфазно и равноамплитудно возбужденной решетки (m=1,2,...), то есть F₁(θ_m)=0. Эти нули неизбежно возникают за счет интерференции полей, излучаемых элементами решетки. Тогда в этих направлениях значения ДНВП предлагаемой антенны, согласно (6), равны

Значения нормированной ДНВП найдем, полагая, что все излучатели решетки имеют одинаковые диаграммы направленности, то есть f_n(θ)=f(θ). Тогда имеем

где θ₀ - направление главного максимума. Здесь учтено, что F(θ₀)≈Nf(θ₀).

Для направлений, близких к направлению главного максимума, f(θ_m)≈f(θ₀), поэтому значение нормированной диаграммы направленности равно

Таким образом, в предлагаемом устройстве все интерференционные нули устраняются за счет изменения возбуждения только одного излучателя. Существенно, что согласно приведенному в формуле изобретения соотношению к диаграмме направленности синфазно-равноамплитудно возбужденной решетки добавляется величина во временной квадратуре (5), поэтому новых интерференционных нулей не возникает. Диаграмма направленности антенны в горизонтальной плоскости остается неизменной.

КНД решетки можно оценить по формуле:

где D₀ - КНД синфазно-равноамплитудно возбужденной решетки. При выводе (10) предполагалось, что взаимной связью можно пренебречь, что оправдано для решеток с периодом, превышающем 0,7λ.

Как видно из (10), снижение КНД предлагаемой антенны по сравнению с величиной D₀ незначительно, поскольку на практике значение параметра δ мало: δ²<0,04.

В качестве примера выполнения предлагаемого устройства рассмотрена панельная антенна, содержащая решетку из семи коллинеарных вибраторов 1 с периодом d=0,75λ. Вибраторы длиной 0,44λ, расположены на расстоянии 0,15λ от плоского экрана, показанного на чертеже штриховой линией. Задаваясь значением δ=0,14 (-17∂Б), получим; ; Δϕ=-45°. Такое возбуждение реализуется с помощью фидерного устройства 2, выполненного на основе параллельной схемы типа «елочка» (Воскресенский Д.И. Антенны с обработкой сигнала. - М.: Сайн-прес, 2002, с.6-7), предназначенной для 8-элементной решетки, куда дополнительно введены согласованный развязанный сумматор (делитель) 3 и отрезок линии передачи 4. Это позволяет возбудить центральный вибратор амплитудой, в раз превышающей амплитуды возбуждения остальных вибраторов, а необходимое запаздывание по фазе на 45° получено за счет надлежащего выбора длины отрезка 4.

В качестве сумматора 3 использован шестиполюсник кольцевой структуры, схема которого представлена на фиг.2 (Сазонов Д.М. Антенны и устройства СВЧ. - М.: Высш. шк., 1988, с.114-115). Учитывая, что создаваемый им дополнительный фазовый сдвиг равен 90°, получим, что отрезок 4 должен иметь электрическую длину 7/8λ.

Расчет антенны проводился с помощью программы MMANA (www.radio.ru), в которой реализован известный алгоритм электродинамического анализа проводников с использованием кусочно-синусоидальных базисных функций. На фиг.3 приведены ДНВП решетки для случаев: 1 - синфазно-равноамплитудное возбуждение вибраторов; 2 - предлагаемое здесь распределение. Ширина главного максимума диаграммы направленности в вертикальной плоскости 10°, в горизонтальной плоскости 100°. Значение КСВ на входе антенны не превышает 1,5 в 50-омном фидере.

В отличие от прототипа, в предлагаемой антенне реализован универсальный способ устранения интерференционных нулей, который не требует сложных предварительных расчетов, прост в реализации, не критичен к разбросу параметров схемы и к изменению частоты.

Достигнутый в предлагаемом изобретении технический результат - упрощение фидерного устройства при устранении всех нулей диаграммы направленности - позволит разработчику создавать антенны для базовых станций, обладающие большим коэффициентом усиления, при отсутствии направлений нулевого излучения в угловом секторе обслуживания. Это, в свою очередь, будет способствовать улучшению качества радиосвязи.

Способ возбуждения антенны базовой станции подвижной радиосвязи, содержащей вертикально ориентированную решетку излучателей и фидерное устройство, отличающийся тем, что все излучатели решетки, за исключением центрального, возбуждают равноамплитудно и синфазно, а центральный излучатель возбуждают так, что его амплитуда возбуждения превышает амплитуду возбуждения остальных излучателей в К раз, а фаза возбуждения центрального излучателя отличается от фазы возбуждения остальных излучателей на величину Δϕ, причем значения К и Δϕ выбраны из соотношения

где N - число излучателей в решетке (нечетное); δ - заданное значение нормированной диаграммы направленности в вертикальной плоскости в направлении минимума, ближайшего к главному лепестку.