Устройство когерентного пространственно-разнесенного приема и передачи радиосигналов

Изобретение относится к области радиотехники и может быть использовано в радиосвязи. Технический результат заключается в повышении пространственной избирательности устройства по дальности. Для этого устройство когерентного пространственно-разнесенного приема и передачи радиосигналов содержит модуль формирования и обработки сигнала, радиочастотный выход которого подключен к входу сумматора, соответствующие выходы которого подключены к N управляемым линиям задержки соответственно, каждая из которых связана со своей антенной, к каждой управляемой линии задержки подключен соответствующий вход схемы управления, первый информационный вход схемы управления подключен к соответствующему выходу модуля формирования и обработки сигнала, второй информационный вход схемы управления подключен к модулю определения местоположения объекта, а N антенн установлены с шагом, который удовлетворяет условию

где R - максимальная дальность действия устройства, λ - длина волны радиосигнала, L - максимальный линейный размер области, в которой расположены антенны, N - натуральное число, большее или равное четырем. 4 ил., Приложение 1.

 

Настоящее устройство относится к области радиотехники и может быть использовано в радиосвязи.

Из существующего уровня техники известно устройство по патенту RU 2075832 С1. Способ пространственного разнесенного приема сигнала от источника излучения, переданного по многолучевому каналу, и устройство для его осуществления (20.03.1997, Фиговский Э.А., Бахарев О.Д.), содержащее N приемных антенн, размещенных на прямой, ориентированной на источник излучения, на расстоянии друг от друга большем длины волны или кратном ей; N-1 блоков когерентного сложения, один из входов i-го блока когерентного сложения (i=1,…,N-1) подключен к выходу j-го приемного антенного элемента (j=2,…,N), а другие входы блоков когерентного сложения подключены к выходу первой приемной антенны; блок когерентного сложения, N входов которого подключены к N выходам приемных антенн; причем каждый блок когерентного сложения содержит управляемый фазовращатель и схему управления; блок оптимального сложения, выполненный в виде блока мажоритарного весового суммирования, входы которого подключены к выходам блоков когерентного сложения.

Недостатком данного технического решения является отсутствие пространственной селекции радиосигналов по дальности.

Наиболее близкой по технической сущности к данному изобретению является устройство, описанное в патенте RU 2192094 С1. Способ когерентной передачи данных (27.10.2002, Гармонов А.В., Карпитский Ю.Е., Савинков А.Ю.), где передающая сторона содержит К ветвей разнесенной передачи сигнала К пользователей, каждая ветвь разнесенной передачи сигнала пользователя содержит N блоков предыскажения информационного сигнала, генератор пилот-сигналов, N сумматоров, блок коррекции, N передающих антенн и N приемных антенн; первые входы ветвей разнесенной передачи сигнала пользователей являются информационными входами и образуют входы устройства, вторые их входы соединены с соответствующими им выходами блока коррекции; выходы ветвей разнесенной передачи сигнала пользователей соединены с соответствующими им первыми входами N сумматоров, вторые входы сумматоров соединены с соответствующими им выходами генератора пилот-сигналов; выход каждого сумматора соединен с входом соответствующей ему передающей антенны; приемные антенны соединены с входами блока коррекции, причем первые входы блоков предыскажения информационного сигнала в каждой ветви разнесенной передачи сигнала пользователя объединены, образуя первый вход этой ветви; вторые входы блоков предыскажения информационного сигнала образуют вторые входы в каждой ветви, а выходы блоков предыскажения информационного сигнала являются выходами соответствующих ветвей разнесенной передачи сигнала пользователя; приемная сторона содержит приемную антенну, демодулятор, блок оценки, блок обратной связи и передающую антенну; приемная антенна соединена с первым входом демодулятора и входом блока оценки, первый выход блока оценки соединен со вторым входом демодулятора, выход которого является выходом устройства, второй выход блока оценки соединен с входом блока обратной связи, выход которого соединен с передающей антенной.

Недостатком данного технического решения является отсутствие пространственной селекции радиосигналов по дальности.

Решаемая техническая задача в изобретении заключается в повышении пространственной избирательности по дальности при передаче и приеме радиосигналов.

Решаемая техническая задача в устройстве когерентного пространственно-разнесенного приема и передачи радиосигналов, содержащем модуль формирования и обработки сигнала, радиочастотный выход которого подключен к входу сумматора, соответствующие выходы которого подключены к N управляемым линиям задержки соответственно, каждая из которых связана со своей антенной, к каждой управляемой линии задержки подключен соответствующий вход схемы управления, первый информационный вход схемы управления подключен к соответствующему выходу модуля формирования и обработки сигнала, достигается тем, что дополнительно введен модуль определения местоположения объекта, подключенный ко второму информационному входу схемы управления, а N антенн установлены с шагом, который удовлетворяет условию

где R - максимальная дальность действия устройства, λ - длина волны радиосигнала, L - максимальный линейный размер области, в которой расположены антенны, N - натуральное число большее или равное четырем.

На фиг.1 приведена функциональная схема устройства когерентного пространственно-разнесенного приема и передачи радиосигналов.

На фиг.2 приведена функциональная схема управляемой линии задержки.

На фиг.3 приведена условная схема размещения антенн устройства.

На фиг.4 приведена интерференционная картина поля в окрестности точки фокусировки, формируемой устройством.

Заявленное устройство, показанное на фиг.1, состоит из модуля формирования и обработки сигнала 1, сумматора 2, N управляемых линий задержки 31…3N, N антенн 41…4N, схемы управления 5, модуля определения местоположения объекта 6. Радиочастотный выход модуля формирования и обработки сигнала 1 подключен к соответствующему входу сумматора 2, выходы которого подключаются к соответствующим входам управляемых линий задержки 31…3N соответственно, выходы которых подключены к антеннам 41…4N, к управляющим входам управляемых линий задержки подключены соответствующие входы схемы управления 5, к первому информационному выходу схемы управления 5 подключен соответствующий информационный вход модуля формирования и обработки сигнала 1, ко второму информационному входу схемы управления 5 подключен информационный выход устройства определения местоположения объекта 6, N антенн установлены с шагом, который удовлетворяет условию

где R - максимальная дальность действия устройства, λ - длина волны радиосигнала, L - максимальный линейный размер области, в которой расположены антенны, N - натуральное число большее или равное четырем.

На фиг.2 показана функциональная схема управляемой линии задержки 3i, обеспечивающей задержку сигнала в диапазоне [0; Λ], где Λ>>2π. Управляемая линия задержки 3i, состоит из коммутируемых линий задержки 7m, 8k, и коммутаторов 9 и 10. Величина задержки коммутируемой линии задержки 7m определяется выражением λ/2m. Величина задержки коммутируемой линии задержки 8k определяется выражением 2(k-l)λ. Принципы построения управляемых линий задержки известны и описаны (см. Каганов В.И. СВЧ-полупроводниковые радиопередатчики. - М.: Радио и связь, 1981, с.74-79).

Модуль формирования и обработки сигналов 1 представляет собой приемопередающий модуль, дополненный цифровым модулем формирования и обработки сигналов. Принципы построения подобных модулей известны и описаны (см. Активные фазированные антенные решетки / Под ред. Д.И.Воскресенского и А.И.Канащенкова. - М.: Радиотехника, 2004, с.18-31).

Сумматор 2 может быть построен на базе полосковых структур. Принципы построения полосковых сумматоров/делителей мощности известны и описаны (см. Антенны и устройства СВЧ. Проектирование фазированных антенных решеток / Под ред. Д.И. Воскресенского, 2-е изд., доп.и перераб. - М.: Радио и связь, 1994, с.297-308).

Схема управления 5 может быть выполнена на базе ПЛИС. Принципы построения подобных устройств известны и описаны (см. Проектирование цифровых устройств на основе ПЛИС фирмы XILINX в САПР WebPACK ISE. - М.: Горячая линия - Телеком. 2003. - 624 с.).

Модуль определения местоположения объекта 6 может быть выполнен как приемник географических координат от объекта определяемых при помощи приемоизмерителей ГЛОНАСС с обеспечением передачи определенных координат объекта на модуль определения местоположения объекта. Принципы построения подобных устройств известны и описаны (см. Manual on VHF Digital Link (VDL) Mode 4. Doc 9816 ICAO).

Заявленное устройство работает следующим образом.

Режим, радиопередача - передача радиосигнала с формирование максимума энергии поля в заданной области пространства.

Режим, радиоприем - прием радиосигнала при формировании максимума энергии поля в заданной области пространства.

Режим, радиопередача. Предположим, что с помощью устройства необходимо передать радиосигнал на объект, находящийся в точке с координатами {x0, у0, z0} местной декартовой системы координат, как показано на фиг.3. При рассмотрении работы устройства определим, что количество антенн 41…4N N=32, длина волны λ=1 м, дальность действия устройства R=l 00000 м. Из выражения

определим шаг

Далее положим, что антенны равноудалены друг от друга, тогда линейный размер совокупной антенной системы, состоящей из антенн 41…432, равен L=d·(N-1)≥32.25·(32-1)≈1000 м.

Модуль определения местоположения объекта 6 определяет географические координаты объекта и высоту {В0,L00}, которые в рассматриваемом случае будут являться координатами точки фокусировки, и передает их на схему управления 5.

Алгоритм работы схемы управления 5 приведен в приложении 1. Суть алгоритма заключается в настройке управляемых линий задержки 31…332 для обеспечения синфазного сложения радиосигналов, излучаемых антеннами 41…432, в точке фокусировки. После выполнения настройки управляемых линий задержки выполняется передача радиосигнала.

Сигнал с радиочастотного выхода модуля формирования и обработки сигнала 1 поступает на сумматор 2, в данном режиме выполняющий функции делителя, и разветвляется на N направлений, в каждом из которых выполняется соответствующая задержка сигналов при помощи управляемых линий задержки 31…332, с выходов которых сигналы поступают на антенны 41…432 и излучаются.

При этом совокупность пространственно-разнесенных антенн 41…432 может рассматриваться как сильно разреженная антенная решетка (РАР).

Отметим, что зона Френеля такой РАР будет иметь достаточно большие размеры. В зоне Френеля поле имеет немонотонный характер не только по направлению, но и по дальности, как показано на фиг.4. Подобный характер распределения поля в зоне Френеля РАР обуславливает преимущества, которых позволяет добиться устройство когерентной пространственно-разнесенной передачи и приема радиосигнала (Ю.Е.Седельников. Антенные решетки в зоне Френеля: состояние теории и перспективные приложения // Физика волновых процессов и радиотехнические системы. 2007 Т.10 - №5. - С.15-16).

Согласно выполненным расчетам, в зоне действия системы, ограниченной дальностью R=100000 м, удается обеспечивать фокусировку электромагнитного поля сигнала в области, ограниченной размерами по глубине

[м]

где R - расстояние до точки фокусировки; и ширине , как показано на фиг.4.

Причем эффективность подобного устройства возрастает с увеличением отношения Nη, где N - количество элементов PAP, η - коэффициент широкополосности излучаемого радиосигнала. Если оценивать коэффициент направленного действия РАР на поверхности сферы, на конечной дальности, то его уровень в области фокусировки по отношению к уровню вне этой области будет больше примерно в Nη/2, где N - количество элементов PAP, η - коэффициент широкополосности радиосигнала.

Таким образом, при бóльших значениях отношения Nη за счет концентрации энергии в области, ограниченной размерами

обеспечивается большая избирательность по дальности и по направлению.

Режим радиоприем. Предположим, что с помощью устройства необходимо принять радиосигнал от объекта, находящегося в точке с координатами {x0, у0, z0} местной декартовой системы координат, как показано на фиг.3. При рассмотрении работы устройства определим, что количество антенн N=32, длина волны λ=1 м, дальность действия устройства R=100000 м. Из выражения

определим шаг

Далее положим, что антенны равноудалены друг от друга, тогда линейный размер совокупной антенной системы, состоящей из антенн 41…432, равен L=d·(N-1)≥32.25·(32-1)≈1000 м.

Модуль определения местоположения объекта 6 определяет географические координаты объекта и высоту {В0,L00}, которые в рассматриваемом случае будут являться координатами точки фокусировки, и передает их на схему управления 5.

Алгоритм работы схемы управления 5 приведен в приложении 1. Суть алгоритма заключается в настройке управляемых линий задержки 31…332 для обеспечения синфазного сложения сигналов, принимаемых антеннами 41…432 из точки фокусировки. После выполнения настройки управляемых линий задержки выполняется прием радиосигнала.

Радиосигналы, принятые антеннами 41…432, поступают на соответствующие входы управляемых линий задержки 31…332, где происходит компенсация разницы времен запаздывания сигналов, принятых каждой из антенн от объекта. С выходов управляемых линий задержки 31…332 сигналы поступают на соответствующие входы сумматора 2, где выполняется суммирование принятых сигналов, после чего результирующий суммарный сигнал поступает на радиочастотный вход модуля формирования и обработки сигнала 1.

Учитывая положения теоремы взаимности передающих и приемных антенн, можно утверждать, что свойства, описанные выше для режима - радиопередача, всецело присущи режиму - радиоприем. При радиоприеме устройство также принимает радиосигналы из области фокусировки, ограниченной размерами по глубине и по ширине

Таким образом, предложенное устройство в сравнении с прототипом позволяет обеспечивать пространственную избирательность по дальности при передаче и приеме радиосигналов.

Устройство когерентного пространственно-разнесенного приема и передачи радиосигналов, содержащее модуль формирования и обработки сигнала, радиочастотный выход которого подключен к входу сумматора, соответствующие выходы которого подключены к N управляемым линиям задержки соответственно, каждая из которых связана со своей антенной, к каждой управляемой линии задержки подключен соответствующий вход схемы управления, первый информационный вход схемы управления подключен к соответствующему выходу модуля формирования и обработки сигнала, отличающееся тем, что дополнительно введен модуль определения местоположения объекта, подключенный ко второму информационному входу схемы управления, а N антенн установлены с шагом, который удовлетворяет условию , где R - максимальная дальность действия устройства, λ - длина волны радиосигнала, L - максимальный линейный размер области, в которой расположены антенны, N - натуральное число, большее или равное четырем.



 

Похожие патенты:

Изобретение относится к беспроводной связи. .

Изобретение относится к системам беспроводной связи. .

Изобретение относится к системам беспроводной связи, а именно - к управлению мощностью многоканального терминала доступа. .

Изобретение относится к беспроводной связи и может быть использовано для поиска сотовых ячеек в системе беспроводной связи. .

Изобретение относится к приемникам спутниковой системы позиционирования (SPS). .

Изобретение относится к приемникам спутниковой системы позиционирования (SPS). .

Изобретение относится к радиосвязи, а именно к формированию сигналов в системе связи, и может быть использовано при передаче сигналов спутниковых навигационных систем.

Изобретение относится к области мобильных радиоустройств. .

Изобретение относится к технике связи

Изобретение относится к области радиотехники и может быть использовано в телеметрических системах для получения информации с подвижных объектов

Изобретение относится к радиосвязи, а именно к радиопередаче с установкой щаблона скачкообразной перестройки для переключения кодовых последовательностей, и может быть использовано в системах мобильной связи

Изобретение относится к технике связи и описывает методы сокращения неблагоприятных воздействий просачивания передаваемого (ТХ) сигнала в системе дуплексной беспроводной связи

Изобретение относится к беспроводной связи и предназначено для определения сдвига частоты для сигнала, принимаемого по беспроводному каналу

Изобретение относится к радиосвязи, в частности к технологиям синхронизации в системе беспроводной связи

Изобретение относится к области радиотехники и может быть использовано в радиосвязи

Наверх