Патент на изобретение №2273923

(54) АНТЕННАЯ СИСТЕМА

(57) Реферат:

Изобретение относится к антенной технике и может быть использовано во многих системах связи при передаче и/или приеме по меньшей мере двух сигналов, при этом первый один из указанных сигналов формируется в частотном диапазоне первого оператора первым оператором, а второй один из указанных сигналов формируется в частотном диапазоне второго оператора вторым оператором. Антенная система содержит антенное устройство, имеющее регулируемый угол наклона электрической оси и включающее в себя множество элементов для излучения и/или приема сигналов, причем элементы антенны установлены на держателе антенны и скомпонованы в виде по меньшей мере двух подрешеток, каждая из которых включает в себя один или несколько упомянутых элементов, управляющее средство для электрического регулирования фазы сигналов, излучаемых и/или принимаемых антенным устройством, для регулирования посредством него угла наклона электрической оси антенного устройства, средство комбинирования для обеспечения возможности излучения и/или приема антенным устройством по существу одновременно первого одного из указанных сигналов при первом угле наклона электрической оси и второго одного из указанных сигналов при втором угле наклона электрической оси. 3 н. и 25 з.п. ф-лы, 16 ил.

Настоящее изобретение относится к антенной системе и, в частности, но не исключительно, к фазированной антенной решетке, имеющей большое количество элементов антенны, скомпонованных в виде по меньшей мере двух подрешеток. Антенная система пригодна для использования во многих системах связи, но особенно найдет применение в сотовых сетях мобильной радиосвязи, обычно называемых сетями мобильной телефонной связи. Более конкретно, антенная система настоящего изобретения может быть использована в сетях мобильной телефонной связи третьего поколения (3G) и в универсальной системе мобильной телефонной связи (UMTS). Изобретение также относится к устройству фазовой компенсации, предназначенному для использования в антенной системе.

Операторы сотовых сетей мобильной радиосвязи обычно используют свои собственные базовые станции, каждая из которых включает в себя одну или несколько антенн. В сотовой сети мобильной связи антенны определяют желаемую площадь зоны обслуживания, которая обычно разделена на ряд перекрывающихся сотовых ячеек, каждая из которых связана с соответствующей антенной и базовой станцией. В каждой сотовой ячейке имеется неподвижная базовая станция, посредством которой поддерживается радиосвязь со всеми мобильными устройствами радиосвязи в этой сотовой ячейке. Сами базовые станции взаимосвязаны с помощью других средств связи, обычно с помощью фиксированных наземных линий связи или смешанных структур, и обеспечивают возможность связи мобильных устройств радиосвязи друг с другом в пределах зоны обслуживания, а также выход в телефонную сеть общего пользования за пределами сотовой сети мобильной радиосвязи.

Антенны, используемые в таких сетях, часто представляют собой сложные устройства, известные как фазированные антенные решетки, которые содержат большое количество (обычно восемь или больше) или решетку отдельных элементов антенны или симметричных вибраторов. Направление максимальной чувствительности антенны, то есть направление главного лепестка или «максимума» диаграммы направленности антенны, можно изменять путем регулирования фазовых соотношений между сигналами, подаваемыми на элементы антенны. Эффект заключается в возможности управления главным лепестком для изменения зоны охвата антенны.

В частности, операторы фазированных антенных решеток в сотовых сетях мобильной радиосвязи испытывают потребность в регулировании диаграммы направленности в вертикальной плоскости для того, чтобы изменять вертикальный угол основного лепестка, также известный как «угол наклона», поскольку он оказывает значительное влияние на зону охвата антенны. Например, изменение зоны охвата может потребоваться вследствие изменений структуры сети или при добавлении или удалении других базовых станций или антенн в сотовой ячейке.

Регулировка угла наклона антенны известна и обычно осуществляется механическим средством, электрическим средством или обоими средствами. Когда угол наклона антенны изменяют механическим способом, например путем механического перемещения самих элементов антенны или путем механического перемещения кожуха (или «обтекателя») элементов, то это известно как регулирование угла «наклона механической оси антенны». Когда угол наклона антенны изменяют электрическим способом, например путем изменения временной задержки или фазы сигналов, подаваемых на каждый элемент (или группу элементов) в решетке, без физического перемещения кожуха элементов, самих элементов антенны или любой другой части антенного обтекателя, то это обычно называют регулировкой угла «наклона электрической оси антенны».

Результат от изменения угла наклона механической оси или угла наклона электрической оси антенны заключается в переориентации максимума диаграммы направленности так, что его точки оказываются выше или ниже линии максимума, установленной посредством обычных механических или электрических механизмов задания наклона, и, следовательно, зона охвата антенны уменьшается или возрастает.

Прежде регулировку угла наклона механической или электрической оси антенны сотовой радиосвязи можно было осуществлять только вручную, изменяя угол наклона самой антенны, например путем физического перемещения кожуха или обтекателя антенны в случае механической регулировки угла наклона или путем регулирования механических устройств для введения переменных задержек в сигналы, подаваемые к элементам антенны, в случае электрической регулировки угла наклона.

Один недостаток, выявляющийся при использовании таких способов механической или электрической регулировки угла наклона, заключается в том, что эти способы являются сложными и трудоемкими. Кроме того, в результате применения таких способов регулировки направление максимума диаграммы направленности будет соответствовать фиксированному установленному углу наклона для всех излучаемых или принимаемых сигналов до тех пор, пока угол наклона снова не изменят. Следовательно, антенна не может использоваться более чем одним оператором, за исключением случая, когда угол наклона, необходимый всем операторам, один и тот же. На практике это случается редко, и, как правило, для операторов требуются индивидуальные углы наклона, чтобы оптимизировать зону охвата антенны для конкретной расстановки базовых станций.

В любом случае, даже при желании совместно использовать базовые станции, антенны и оборудование, существуют проблемы, связанные с осуществлением этого. В Великобритании соответствующие частотные диапазоны для передачи/приема распределены между пятью операторами третьего поколения для связи между мобильными устройствами радиосвязи и базовыми станциями. Пять диапазонов для передачи или частотных диапазонов операторов являются непрерывными, как и пять диапазонов для приема, то есть промежутки между соседними частотными диапазонами отсутствуют. Следовательно, если только в передающей и приемной аппаратуре не используется сложная и точная фильтрация сигналов, возникающие в результате перекрытие и взаимодействие сигналов ухудшают характеристики системы.

Одна известная архитектура базовой станции предусматривает отдельные передающую и приемную антенны, в то время как другая распространенная система использует антенный переключатель для обеспечения возможности использования одной антенны как для передачи, так и для приема. Эти структуры удовлетворяют предъявляемым требованиям, когда только один оператор использует базовую станцию и антенну, но когда несколько операторов хотят использовать систему, возникают трудности.

Одно известное решение, обеспечивающее совместное использование базовой станции, заключается в применении для каждого оператора особой антенны. На практике это достигается путем использования общей антенной мачты, несущей ряд антенн, по одной для каждого оператора. Однако для исключения взаимных помех антенны необходимо соответствующим образом разносить, и может потребоваться увеличение высоты мачты или использование более прочной конструкции, чтобы мачта противостояла сильным ветровым нагрузкам. Это приводит к увеличению массы мачты и, в свою очередь, к повышению стоимости мачты. Более того, площадки, на которых можно размещать более крупные мачты, трудно получить, и можно столкнуться с проблемами получения планируемого разрешения или с проблемами распределения по зонам. Кроме того, более крупные мачты плохо вписываются в окружающую среду и являются неприглядными.

Вследствие этого многие операторы сетей сотовой мобильной радиосвязи используют свои собственные базовые станции вместе со своими соответствующими мачтами и антеннами. Имеются немного случаев совместного использования площадок для размещения, и любое совместное использование, которое случается, ограничено совместным использованием исключительно мачт, но не антенн. Внедрение систем мобильной радиосвязи третьего поколения потребует увеличения числа мест для размещения базовых станций. При этом, вероятно, возникнут трудности при получении необходимых реальных земельных участков, и совместное использование площадок для размещения станет более привлекательным выбором.

Поэтому задача настоящего изобретения заключается в создании способа и/или устройства, использование которых позволяет большому количеству операторов базовой станции совместно использовать общую антенну при обеспечении возможности электрической и индивидуальной регулировки каждым оператором угла наклона электрической оси антенны. Дополнительная задача изобретения заключается в обеспечении возможности дистанционного регулирования угла наклона электрической оси антенны и возможности задания разных углов при излучении и приеме.

В последующем описании термин «антенная система» использован вместо предыдущего термина «антенна» для описания системы, имеющей «антенное устройство», то есть решетку из элементов антенны, и управляющее средство для регулирования сигналов, подаваемых на элементы антенны в антенном устройстве.

В соответствии с первым аспектом настоящего изобретения предложена антенная система, предназначенная для использования при передаче и/или приеме по меньшей мере двух сигналов, при этом первый один из указанных сигналов формируется в частотном диапазоне первого оператора первым оператором, а второй один из указанных сигналов формируется в частотном диапазоне второго оператора вторым оператором, содержащая:

антенное устройство, имеющее регулируемый угол наклона электрической оси и включающее в себя большое количество элементов антенны для излучения и/или приема указанных сигналов, в котором элементы антенны установлены на держателе антенны и скомпонованы в виде по меньшей мере двух подрешеток, при этом каждая подрешетка включает в себя один или несколько указанных элементов,

управляющее средство для электрического регулирования фазы сигналов, излучаемых и/или принимаемых указанным антенным устройством, для регулирования посредством этого угла наклона электрической оси указанного антенного устройства и

средство комбинирования для обеспечения возможности излучения и/или приема указанным антенным устройством по существу одновременно первого одного из указанных сигналов при первом угле наклона электрической оси и второго одного из указанных сигналов при втором угле наклона электрической оси.

Первый и второй сигналы, излучаемые и/или принимаемые антенным устройством, используются разными операторами сети и поэтому должны иметь различные частоты. Следовательно, предпочтительным образом антенная система обеспечивает возможность использования антенного устройства большим количеством операторов.

Кроме того, в случае, когда угол наклона электрической оси можно регулировать из места, удаленного от антенного устройства, каждый оператор может регулировать зону охвата сотовой ячейки, обеспечиваемую антенным устройством, без посещения площадки для размещения базовой станции. Регулировка угла наклона электрической оси антенны может потребоваться, например, для оптимизации зоны охвата при развертывании сети, для оптимизации сети по результатам измерений эксплуатационных параметров, ежедневно при перемещении жителей пригорода в город и обратно или периодически для удовлетворения требований, возникающих в связи с конкретным событием, таким как спортивное мероприятие.

В одном варианте осуществления антенная система предназначена для работы в режиме передачи, в котором антенным устройством излучаются по меньшей мере два сигнала, при этом средство комбинирования предназначено для приема сигналов со скорректированной фазой от указанного управляющего средства и обеспечения возможности по существу одновременного излучения первого одного из указанных сигналов при первом угле наклона электрической оси и второго одного из указанных сигналов при втором угле наклона электрической оси антенны. Предпочтительно аппаратура может также работать в режиме приема, в котором антенное устройство принимает сигналы.

В предпочтительном варианте осуществления аппаратура включает в себя первый и второй фидеры для подачи первого и второго сигналов первой поляризации на и с антенного устройства.

Предпочтительно аппаратура дополнительно включает в себя третий и четвертый фидеры для подачи третьего и четвертого сигналов второй поляризации, противоположной по знаку первой поляризации, на и с антенного устройства.

В более предпочтительном варианте осуществления аппаратура включает в себя максимум четыре фидера для подачи сигналов на и с антенного устройства.

Преимущество аппаратуры заключается в том, что система может использоваться большим количеством операторов и они могут передавать и/или принимать сигналы в различных частотных диапазонах операторов, при необходимости каждый при особом угле наклона электрической оси, и это достигается при использовании всего четырех фидеров или только двух, если необходима только одна поляризация. Поэтому аппаратура является относительно простой и экономически эффективной несмотря на возможность использования многими разными операторами.

Кроме того, поскольку одно антенное устройство может совместно использоваться рядом операторов, исключается необходимость в дополнительных базовых станциях или в антенных устройствах.

Применительно к этому описанию предполагается, что выражение «оператор» или «пользователь» означает оператора сети сотовой радиосвязи в противоположность оператору на площадке для размещения антенны.

Например, управляющее средство может включать в себя первое управляющее устройство, соответствующее первому одному из указанных сигналов, и второе управляющее устройство, соответствующее второму одному из указанных сигналов, а средство комбинирования может быть выполнено с возможностью приема одного из указанных сигналов с первого управляющего устройства и второго одного из указанных сигналов со второго управляющего устройства и подачи объединенного сигнала на антенное устройство.

Предпочтительно управляющее средство выполнено с возможностью электрического регулирования фазы сигналов, подаваемых на, по меньшей мере, одну из подрешеток, из места, удаленного от антенного устройства, для управления посредством этого углом наклона электрической оси антенного устройства.

Управляющее средство может включать в себя большое количество устройств дифференциального регулирования фазы, при этом каждое устройство дифференциального регулирования фазы находится в связи с соответствующим одним из операторов антенной системы.

Каждое из устройств дифференциального регулирования фазы может включать в себя первые и вторые субблоки дифференциального регулирования фазы, при этом первые субблоки дифференциального регулирования фазы выполнены с возможностью электрического регулирования фазы сигналов, подаваемых на них, для излучения антенным устройством, а вторые субблоки выполнены с возможностью электрического регулирования фазы сигналов, подаваемых на них, при этом указанные сигналы принимаются антенным устройством.

Предпочтительно средство комбинирования включает в себя первое и второе устройства комбинирования, при этом каждое устройство комбинирования включает в себя соответствующую схему объединения для режима передачи и соответствующую схему разветвления для режима приема, схема объединения для режима передачи имеет большое количество входов для подключения к передающему средству соответствующего большого количества операторов антенной системы, схема объединения для режима передачи выполнена с возможностью мультиплексирования сигналов, подаваемых на входы с передающего средства, для вывода посредством этого одного мультиплексированного сигнала.

Предпочтительно схема объединения для режима передачи включает в себя первый мультиплексор для режима передачи, выполненный с возможностью приема по меньшей мере двух сигналов, каждого от связанного с ним соответствующего передатчика, и второй мультиплексор для режима передачи, выполненный с возможностью приема по меньшей мере двух сигналов, каждого от связанного с ним соответствующего передатчика, при этом каждый из первого и второго мультиплексоров для режима передачи снабжен группой полосовых фильтров для фильтрации сигналов, получаемых от первого одного из связанных соответствующих передатчиков, с полосой пропускания, отделенной полосой задерживания от полосы пропускания этого или каждого другого из связанных соответствующих передатчиков.

Предпочтительно каждая группа полосовых фильтров выполнена с возможностью формирования идеально объединенного (как определено в настоящей заявке) выходного сигнала.

Предпочтительно объединенные выходные сигналы с группы полосовых фильтров вводятся в устройство комбинирования с целью формирования объединенного сигнала, имеющего по существу идеально объединенный непрерывный частотный спектр.

Предпочтительно схема разветвления для режима приема имеет большое количество выходов для подключения к приемным средствам соответствующего большого количества операторов антенной системы, и при этом схема разветвления для режима приема выполнена с возможностью разделения сигналов приема, принимаемых антенным устройством, для подачи посредством этого принимаемых сигналов на каждое из указанных приемных средств.

В дополнительном предпочтительном варианте осуществления средство комбинирования выполнено с возможностью образования выходных сигналов со скорректированной фазой одновременно для каждого из большого количества операторов, при этом антенная система дополнительно содержит группу разветвителей для приема выходных сигналов со скорректированной фазой и для разделения и распределения выходных сигналов со скорректированной фазой по элементам антенного устройства.

Предпочтительно группа разветвителей выполнена с возможностью обеспечения распределения интенсивности сигналов со скорректированной фазой в виде по существу равномерного распределения.

В еще одном дополнительном предпочтительном варианте осуществления аппаратура может включать в себя средство фазовой компенсации для обеспечения сохранения разности фаз, вводимой в сигналы в фидерах, по существу постоянной между управляющим средством и антенным устройством.

Операцию измерения и регулирования фазы можно осуществлять при первоначальном включении системы, в случае, когда необходимо изменить угол наклона электрической оси и/или периодически для компенсации тепловых флуктуаций в фидерах, например каждые 10 мин.

В одном варианте осуществления средство фазовой компенсации включает в себя первое и второе смесительные устройства, размещенные на противоположных концах первого и второго фидеров.

В качестве альтернативы средство фазовой компенсации включает в себя модуль приемника для измерения фазы.

В альтернативном варианте осуществления аппаратура может включать в себя средство фазовой компенсации для независимой оценки, для большого количества частотных диапазонов операторов, результата измерения разности фаз в тракте передачи, полученного на основании разности фаз сигналов, подаваемых на элементы антенны по тракту передачи, и может включать в себя средство обратной связи для подачи назад результатов измерений разности фаз в тракте передачи на управляющее средство. Предпочтительно управляющее средство включает в себя средство для регулирования фазы сигналов, поступающих на первый и второй фидеры, независимо для каждого из частотных диапазонов операторов, в зависимости от соответствующего результата измерения разности фаз в тракте передачи, для обеспечения посредством этого компенсации различий в разности фаз в различных частотных диапазонах операторов.

В случае антенны, рассчитанной на излучение сигналов только с одной поляризацией, тракт передачи обычно включает в себя первый и второй фидеры для подачи сигналов передачи со средства комбинирования на антенное устройство и первую и вторую соответствующие высокочастотные линии, образующие часть антенного устройства, обеспечивающие средство соединения между первым и вторым фидерами и элементами антенны.

Аппаратура может дополнительно содержать модуль векторного измерительного приемника в антенном устройстве и может включать в себя средства для выделения части сигналов, подаваемых на элементы антенны, и средства для объединения выделенной части с сигналом задающего генератора, имеющим частоту, зависящую от выбранного частотного диапазона оператора, для определения посредством этого результата измерений разности фаз в тракте передачи для каждого частотного диапазона оператора.

Предпочтительно модуль векторного измерительного приемника включает в себя первый и второй фазовые компараторы для обеспечения возможности осуществления синфазных и квадратурных измерений разности фаз с целью определения посредством этого однозначного результата измерений разности фаз.

В дополнительном предпочтительном варианте осуществления аппаратура может включать в себя средство фазовой компенсации для оценки, для большого количества частотных диапазонов операторов, результата измерения разности фаз в тракте приема, полученных на основании различий в разности фаз сигналов, принимаемых на элементах антенны и передаваемых по тракту приема к управляющему средству, и средство обратной связи для подачи назад результатов измерений разности фаз в тракте приема на управляющее средство, и при этом управляющее средство включает в себя средства для регулирования фазы сигналов, подаваемых на первый и второй фидеры, для каждого из частотных диапазонов операторов, в зависимости от соответствующего результата измерения разности фаз в тракте приема, для обеспечения посредством этого возможности компенсации различий в разности фаз в различных частотных диапазонах операторов.

Этот вариант осуществления является особенно выгодным, поскольку различия в разности фаз между сигналами, проходящими через тракт передачи, и сигналами, проходящими через тракт приема, могут быть скомпенсированы независимо и, более того, могут быть скомпенсированы независимо для каждого частотного диапазона оператора.

Предпочтительно антенное устройство включает в себя генераторное средство, предназначенное для формирования калибровочного сигнала тракта приема, который пропускается через тракт приема с целью выполнения измерения разности фаз в приемном тракте в дополнение к измерению разности фаз в тракте передачи.

Предпочтительно тракт приема включает в себя первый и второй фидеры, а также первую и вторую высокочастотные линии тракта передачи, но обычно сигналы приема проходят через другой усилитель и компоненты фильтров по сравнению с сигналами передачи.

В предпочтительном варианте осуществления генераторное средство выполнено в виде генератора тональных сигналов, предназначенного для формирования тонального сигнала, подлежащего пропусканию через тракт приема.

Предпочтительно для выделенного частотного диапазона оператора тональный сигнал имеет частоту, занимающую промежуточное положение между соседними частотными диапазонами операторов, при этом один из соседних частотных диапазонов операторов является выделенным частотным диапазоном оператора.

В качестве альтернативы тональный сигнал может находиться в пределах выделенного частотного диапазона оператора.

Предпочтительно генераторное средство выполнено с возможностью формирования калибровочного сигнала для тракта приема в полосе частот около 200 Гц.

В соответствии со вторым аспектом изобретения предложен фазокомпенсатор, предназначенный для использования многими операторами в антенном устройстве, имеющем большое количество элементов антенны, при этом каждый оператор передает и/или принимает сигналы в пределах особого частотного диапазона оператора, содержащий:

управляющее средство для электрического регулирования фазы сигналов, передаваемых и/или принимаемых антенным устройством, для регулирования посредством этого угла наклона электрической оси антенного устройства;

средство для оценки, для большого количества частотных диапазонов операторов, результата измерения разности фаз в тракте передачи, полученного на основании различия в разности фаз сигналов, проходящих по тракту передачи, имеющему первый и второй фидеры, к элементам антенны,

средство для оценки, для большого количества указанных частотных диапазонов операторов, результата измерения разности фаз в тракте приема, полученного на основании различия в разности фаз сигналов, подаваемых по тракту приема от элементов антенны до управляющего средства, и

средство обратной связи для подачи назад результатов измерений разности фаз в трактах передачи и приема в управляющее средство, при этом управляющее средство включает в себя средство для регулирования фазы сигналов, подаваемых на элементы антенны, для каждого частотного диапазона оператора, в зависимости от результатов измерений разности фаз в трактах передачи и приема для соответствующего частотного диапазона оператора.

В соответствии с третьим объектом изобретения предложен способ компенсации для антенного устройства, имеющего большое количество элементов антенны, при этом антенное устройство предназначено для использования многими операторами, а каждый оператор передает и/или принимает сигналы в пределах особого частотного диапазона оператора, включающий в себя:

электрическое регулирование фазы сигналов, излучаемых и/или принимаемых антенным устройством, для регулирования посредством этого угла наклона электрической оси антенного устройства;

оценку для большого количества частотных диапазонов операторов результата измерения разности фаз в тракте передачи, полученного на основании различия в разности фаз сигналов, проходящих по тракту передачи, имеющему первый и второй фидеры, к элементам антенны,

оценку для большого количества частотных диапазонов операторов результата измерения разности фаз в тракте приема, полученного на основании различия в разности фаз сигналов, проходящих по тракту приема, включающему в себя первый и второй фидеры, от элементов антенны,

подачу назад результатов измерений разности фаз в трактах передачи и приема в управляющее средство и

регулирование фазы сигналов, подаваемых на элементы антенны, для каждого из частотных диапазонов операторов, в зависимости от соответствующих результатов измерений разности фаз в трактах передачи и приема, для обеспечения посредством этого возможности компенсации различий в разностях фаз для различных частотных диапазонов операторов.

Должно быть понятно, что предпочтительные и/или факультативные признаки фазокомпенсатора антенного устройства согласно первому аспекту изобретения равным образом применимы в фазокомпенсаторе согласно второму аспекту изобретения и точно так же к способу согласно третьему аспекту изобретения.

В соответствии с еще одним дополнительным аспектом настоящего изобретения предложено устройство комбинирования углов наклона электрической оси, предназначенное для подачи сигналов на антенное устройство, включающее в себя большое количество элементов антенны, содержащее:

управляющее средство для электрической регулировки фазы сигналов, подлежащих излучению антенным устройством, для регулирования посредством этого угла наклона электрической оси антенного устройства; и

средство комбинирования, предназначенное для приема сигналов со скорректированной фазой и обеспечения возможности по существу одновременной передачи первого одного из сигналов при первом угле наклона электрической оси и второго одного из сигналов при втором угле наклона электрической оси.

Должно быть понятно, что признаки, упомянутые для первого аспекта изобретения, описанные как факультативные и/или альтернативные, также применимы, по одному или в сочетании, к дополнительным аспектам изобретения.

Для целей этого описания термин «фазовая задержка или сдвиг» использован для удобства представления. Временная задержка может быть получена путем изменения фазы радиочастотной несущей. При условии, что фазовый сдвиг пропорционален частоте в пределах диапазона и имеет нулевое искажение при захвате, фазовый сдвиг создает временную задержку по существу без искажений. Поэтому фазовый сдвиг и временная задержка являются синонимами.

Должно быть понятно, что на практике для всех объектов изобретения может оказаться желательной передача более чем двух сигналов при различных углах.

Теперь настоящее изобретение будет описано только для примера со ссылками на сопровождающие чертежи, на которых:

фиг.1 – диаграмма направленности в вертикальной плоскости известной фазированной антенной решетки;

фиг.2 – структурная схема известного антенного устройства, включающего в себя механическое средство для регулирования угла наклона электрической оси;

фиг.3 – известная диаграмма распределения частот для дуплексных базовых станций третьего поколения;

фиг.4 – известная компоновка оборудования базовых станций при совместном использовании мачты;

фиг.5 – иллюстрация предложенной антенной системы в соответствии с первым аспектом изобретения, в которой одно антенное устройство с двойной поляризацией используется совместно пятью операторами;

фиг.6 – иллюстрация трехсекторной антенной системы с двойной поляризацией, включающей в себя три антенные системы по фиг.5;

фиг.7а – структурная схема предложенной схемы объединения для режима передачи, предназначенной для использования в антенных системах по фиг.5 и 6;

фиг.7b – частотные характеристики фильтров, используемых в схеме объединения для режима передачи по фиг.7а;

фиг.8 – структурная схема предпочтительного вида антенной системы согласно изобретению (для одного оператора);

фиг.9 – структурная схема устройства автоматического регулирования фазы, предназначенного для использования совместно с антенной системой по фиг.8;

фиг.10 – график зависимости напряжения от времени для выходных сигналов смесителей, используемых в устройстве по фиг.9;

фиг.11 – структурная схема, иллюстрирующая введение устройства по фиг.9 в систему по фиг.8 и использование системы пятью операторами;

фиг.12 – структурная схема антенной системы по фиг.8, включающей в себя модуль приемника для измерения фазы;

фиг.13 – более подробная иллюстрация части модуля приемника для измерения фазы;

фиг.14 – структурная схема, иллюстрирующая введение модуля приемника для измерения фаз по фиг.12 в систему по фиг.8 и использование системы пятью операторами;

фиг.15 – структурная схема с показом компонентов антенны, предназначенных для осуществления альтернативного способа фазовой компенсации; и

фиг.16 – структурная схема с показом компонентов устройства объединения антенн, предназначенных для осуществления альтернативного способа фазовой компенсации по фиг.15.

В нижеследующем описании изобретение рассмотрено применительно к антенной системе, пригодной для использования в сотовой сети мобильной радиосвязи и особенно в универсальной системе мобильной телефонной связи. Однако должно быть понятно, что изобретение не ограничено таким применением и равным образом может быть использовано в других системах связи.

На фиг.1 показана диаграмма направленности в вертикальной плоскости обычной фазированной антенной решетки. На чертеже показан вид сбоку, антенное устройство обозначено позицией 1.

Диаграмма направленности в вертикальной плоскости антенного устройства 1 содержит основной лепесток или «максимум диаграммы направленности» 2, который расширяется в вертикальной плоскости по мере удаления от антенного устройства и характеризует область максимальной интенсивности излучения пучка, излучаемого антенным устройством. Диаграмма направленности в вертикальной плоскости антенного устройства также включает в себя некоторое количество боковых лепестков 4, характеризующих области намного меньшей интенсивности излучения, вытянутые от антенного устройства в направлениях, которые в вертикальной плоскости разнесены на примерно одинаковые угловые расстояния вокруг антенного устройства. Лепестки 3, непосредственно прилегающие к максимуму 2 диаграммы направленности, соответственно называются первым верхним и первым нижним боковыми лепестками.

Угол наклона антенного устройства, который регулируют механически путем физического перемещения элементов антенны и/или ее обтекателя или корпуса, известен как «угол наклона механической оси антенны», и его обычно добиваются путем переустановки максимума диаграммы направленности так, чтобы его точки находились либо выше, либо ниже горизонта. В случае электрической регулировки угол наклона антенного устройства известен как «угол наклона электрической оси антенны», а направление максимума диаграммы направленности сдвигают кверху или книзу путем изменения временной задержки сигналов, подаваемых на группы элементов в антенне, а не механическим перемещением самих элементов.

Для пояснения последующего описания полезно отметить, что как «угол наклона электрической оси антенны», так и «угол наклона механической оси антенны» можно регулировать и/или юстировать либо электрическим способом, либо механическим способом, или обоими способами, так что, например, механическое перемещение частей можно использовать для осуществления регулировки электрической фазы (при которой сами элементы антенны физически не перемещаются) с тем, чтобы изменять положение максимума диаграммы направленности.

На фиг.2 антенное устройство из известной антенной системы, включающее в себя устройство регулировки угла наклона электрической оси антенны, показано в схематичном виде и в целом обозначено позицией 10. Антенное устройство представляет собой фазированную антенную решетку, выполненную в виде решетки из двенадцати элементов или симметричных вибраторов, с Е1 по Е12, которые скомпонованы в виде трех подрешеток, обозначенных А, В и С. Каждая подрешетка А, В, С включает в себя четыре элемента, включенных параллельно и соединенных с выходом соответственно первого, второго и третьего устройств 12, 14, 16 задержки. Устройства 12, 14, 16 задержки содержат обычные механические средства регулирования фазы, предназначенные для регулирования фазы сигналов, подаваемых на подрешетки. Радиочастотный сигнал, подлежащий излучению антенной, подается на каждое устройство 12, 14, 16 задержки с общего радиочастотного порта или фидера 18.

Функция устройств 12, 14, 16 задержки заключается в регулировании на определенную величину фазы радиочастотного сигнала, подаваемого на соответствующую подрешетку А, В, С. Второе устройство 14 задержки, подключенное к центральной подрешетке В, представляет собой устройство фиксированной задержки, предназначенное для сдвига на фиксированную величину фазы сигнала, подаваемого на подрешетку В. С другой стороны, первое и третье устройства 12, 16 задержки, соединенные соответственно с подрешетками А и С, представляют собой регулируемые устройства задержки, каждое из которых пригодно для сдвига на переменную величину фазы радиочастотных сигналов, подаваемых на подрешетки А и С соответственно.

Обычно с помощью первого и третьего устройств 12, 16 задержки можно вводить фазовые сдвиги в радиочастотные сигналы, подаваемые на подрешетки А и С, между 0 и ±45°, и каждая задержка может регулироваться посредством механического регулировочного устройства. Механическое регулировочное устройство 20 включает в себя средство, показанное позицией 22, предназначенное для изменения на обратный фазового сдвига, вводимого в сигнал третьим устройством 16 задержки, по сравнению с фазовым сдвигом, вводимым первым устройством 12 задержки. Поэтому фазовые сдвиги, вводимые в радиочастотные сигналы первым и третьим устройствами 12, 16 задержки, равны по величине, но противоположны по знаку. Другими словами, если первым устройством 12 задержки фаза сигнала, подаваемого на подрешетку А, сдвигается на +45°, то третьим устройством 16 задержки фаза сигнала, подаваемого на подрешетку С, сдвигается на -45°. Поскольку второе устройство 14 задержки представляет собой устройство фиксированной задержки, то на практике в сигнал, подаваемый на подрешетку В, вводится фазовый сдвиг, который является средним относительно сдвигов, создаваемых первым и третьим устройствами 12, 16 задержки.

Угол наклона электрической оси такой антенны обычно изменяется на ±5° при фазовом сдвиге ±45° на каждой подрешетке. Это дает чувствительность при наклоне, соответствующую приблизительно 18° фазового сдвига на градус угла наклона электрической оси антенны. Следовательно, поскольку в этом примере радиочастотные сигналы, подаваемые на подрешетки А и С, отличаются на 90°, то угол наклона электрической оси антенного устройства составляет приблизительно 5°. Направление наклона электрической оси антенного устройства зависит от знака фазового сдвига, вводимого в сигналы, подаваемые на подрешетки. Когда сигнал на верхней подрешетке (в этом случае на подрешетке А) имеет положительную фазу, а на нижней подрешетке (в этом случае на подрешетке С) имеет отрицательный фазовый сдвиг, то угол наклона электрической оси антенны будет положительным, то есть выше обычной линии максимума диаграммы направленности. Для фазовых сдвигов противоположного знака угол наклона электрической оси антенны будет отрицательным.

Недостаток антенного устройства по фиг.2 заключается в том, что для изменения угла наклона электрической оси антенного устройства требуется ручная настройка механического регулировочного устройства 20 для того, чтобы задать фазовые сдвиги, вводимые первым и третьим устройствами 12, 16 задержки. Кроме того, фазы сигналов, подаваемых на каждый элемент антенны, нельзя регулировать индивидуально.

На фиг.3 показаны частотные диапазоны в соответствии с разделением частот для дуплексной связи третьего поколения, отведенные агентством по радиосвязи Великобритании для использования операторами сети третьего поколения в Великобритании. Каждый из пяти операторов Великобритании получает лицензию на использование первого конкретного участка, или поддиапазона, из отведенного спектра для передачи, например, с базовой станции на мобильные устройства радиосвязи в пределах сети и другого такого участка для приема на базовой станции, например, от мобильных устройств радиосвязи. Эти поддиапазоны обозначены как лицензии A, B, C, D и Е. Суммарный спектр находится в пределах от 2110,3 до 2169,7 МГц для режима передачи базовой станции и от 1920,3 до 1979,7 МГц для режима приема базовой станции. Хотя на границах этих частотных диапазонов имеются запрещенные частоты, известные как защитные частотные интервалы (непоказанные), между отдельными поддиапазонами A, B, C, D и Е нет промежутков, и поэтому они соприкасаются.

Вследствие наличия проблем, связанных с применением общей антенны операторами сети, использующими соседние поддиапазоны, разделение базовых станций часто достигается с помощью архитектуры, показанной на фиг.4. Применение архитектуры 60 обеспечивает возможность пяти операторам сети совместно использовать площадку для базовых станций, при этом соответствующая передающая/приемная антенна предусмотрена на сектор для каждого оператора. В результате для каждого сектора в сумме имеются пять антенн (антенны A, B, C, D и Е), которые установлены на общей мачте 62 базовых станций, при этом каждая антенна установлена на мачте 62 на конкретной отличающейся высоте, или все установлены на одной и той же высоте и соответствующим образом разнесены. Каждая антенна снабжена соответствующим приемопередающим оборудованием с 64А по 64Е. Чтобы разместить пять антенн, может потребоваться мачта 62 большей высоты по сравнению с мачтой, предназначенной для единственной антенны. Вследствие этого прочность мачты 62 должна быть повышенной, чтобы мачта противостояла сильным ветровым нагрузкам, что, в свою очередь, приводит к увеличению массы и стоимости мачты. Кроме того, более крупную мачту можно установить не на всех местах, и часто встречаются трудности при получении планируемого разрешения от местных властей. Кроме того, крупные мачты производят плохое и навязчивое зрительное впечатление и в некоторых местах могут быть неприемлемыми для окружающей среды.

На фиг.5 показано устройство комбинирования, предназначенное для уменьшения числа антенн, необходимых для поддержки пяти операторов сети, с пяти до одной. Устройство комбинирования, в целом обозначенное позицией 70, содержит схему 72 объединения для режима ТХ передачи, схему 74 разветвления для режима TR приема и антенный переключатель 76. Пять операторов сети имеют соответствующие передатчики с ТхА по ТхЕ, подключенные к схеме 72 объединения для режима передачи, и приемники с RxA по RxE, соединенные со схемой 74 разветвления для режима приема. Схемы 72, 74 подключены через антенный переключатель 76 к совместно используемому антенному устройству 78.

В передатчиках с ТхА по ТхЕ формируются радиочастотные сигналы, которые объединяются в схеме 72 объединения для режима передачи и после этого проходят через антенный переключатель 76 к антенному устройству 78 для излучения. Сигналы, принимаемые антенным устройством 78 от удаленных мобильных устройств радиосвязи (непоказанных), подаются от антенного устройства 78 через антенный переключатель 76 на схему 74 разветвления для режима приема.

На фиг.6 архитектура по фиг.5 расширена с включением в нее трех отдельных антенных устройств 78a, 78b, 78c с целью образования так называемого «трехсекторного антенного устройства», при этом каждое антенное устройство размещено с образованием сотовой ячейки в горизонтальной плоскости, охватывающей дугу 120° (или одну треть окружности) с тем, чтобы совместно антенные устройства 78а, 78b, 78c создавали сотовую ячейку, охватывающую все 360°. В этом варианте осуществления каждое антенное устройство 78a, 78b, 78c представляет собой антенное устройство с двойной поляризацией. Использование антенных устройств с двойной поляризацией хорошо известно и общепринято в сотовых радиосистемах. Каждое антенное устройство 78a, 78b, 78c состоит из яруса скрещенных дипольных элементов, при этом первая решетка элементов расположена под углом +45° к вертикали, а вторая решетка элементов находится под углом -45° к вертикали. Решетки для каждой поляризации эффективно электрически разделены посредством отдельных устройств 70a, 70b комбинирования, предусмотренных для каждой решетки. Поэтому каждое антенное устройство подключено к соответствующему первому и второму устройству 70a, 70b комбинирования, имеющему вид устройства 70 комбинирования по фиг.5. Устройства 70a, 70b комбинирования выполнены одинаковыми для обеих поляризаций, так же как и соединения к ним от передатчиков и приемников операторов.

Для ясности рассмотрены только компоненты системы для правой поляризации, при этом каждый из передатчиков с ТхА по ТхЕ операторов сети соединен с соответствующим входом каждой из схем 72 объединения для режима передачи в трех устройствах 70a, 70b, 70c комбинирования для правой поляризации. Сигналы, поступающие от передатчиков, проходят от схемы 72 объединения для режима передачи через антенный переключатель 76 к соответствующему антенному устройству 78a, 78b, 78c для излучения.

Аналогичным образом каждый из приемников с RxA по RxE операторов сети соединен с соответствующим выходом каждой из схем 74 разветвления для режима приема в трех устройствах 70a, 70b, 70c комбинирования для правой поляризации. Сигналы, принимаемые антенным устройством 78a, 78b, 78c, проходят через соответствующий антенный переключатель 76 к схеме 74 разветвления для режима приема, в которой принимаемые сигналы разделяются на пять равных частей и после этого подаются на приемники с RxA по RxE.

Компоненты системы для левой поляризации подключены аналогичным образом. Поэтому можно видеть, что пять операторов могут использовать систему одновременно, при этом требуется только одно антенное устройство, если используется ненаправленная антенна, или требуются три антенных устройства, если используется трехсекторная система. В известных системах необходимо иметь пять отдельных антенных устройств на каждый сектор или пятнадцать антенных устройств для трехсекторной системы.

Устройство 70 комбинирования по фиг.5 имеет ряд недостатков. Во-первых, схема 72 объединения для режима передачи может включать в себя компоненты, которые существенно ослабляют сигналы в системе. Как следствие этих ослаблений сигналов снижается дальность передачи системы. Чтобы компенсировать ослабление сигналов, могут быть добавлены усилители, но недостаток такого решения заключается в невозможности одновременно управлять мощностью, необходимой для передачи на всех пяти частотных диапазонах с удовлетворяющими требованиям линейностью, мгновенной шириной полосы частот и эффективностью наряду с требуемой надежностью.

Чтобы уменьшить выходную мощность, требуемую от усилителя, можно ввести полосовые фильтры в схему 72 объединения для режима передачи, при этом схема 72 объединения для режима передачи будет иметь узел, состоящий из пяти параллельных полосовых фильтров, совместно выполняющих функцию мультиплексора для режима передачи. Посредством полосовых фильтров осуществляется фильтрация сигналов от соответствующих передатчиков с ТхА по ТхЕ, после чего сигналы мультиплексируются на общую выходную линию и передаются на антенный переключатель 76 и антенное устройство 78. Полосу пропускания каждого фильтра выбирают как можно ближе к частотному диапазону, лицензированному соответствующему оператору. Однако в такой структуре дополнительно возрастает затухание сигнала в системе вследствие плавного спада частотной характеристики большинства полосовых фильтров и возникающего в результате перекрытия поддиапазонов и ухудшается развязка между передатчиками с ТхА по ТхЕ.

На фиг.7а показана обозначенная в целом позицией 200 усовершенствованная схема объединения для режима передачи, предназначенная для использования в блоках комбинирования, показанных на фиг.5 и 6. Схема 200 объединения для режима передачи включает в себя первый и второй мультиплексоры 222АВЕ и 222CD для режима передачи. Первый мультиплексор 222АВЕ для режима передачи предназначен для получения сигналов передачи от трех передатчиков 224А, 224В, 224Е и фильтрации их соответствующими полосовыми фильтрами 226А, 226В, 226Е. Второй мультиплексор 222CD для режима передачи предназначен для получения сигналов передачи от двух дополнительных передатчиков 224С и 224D и фильтрации их соответствующими полосовыми фильтрами 226C, 226D.

Отфильтрованные выходные сигналы полосовых фильтров 226А, 226В, 226Е объединяются на первых выходах фильтров (объединенный выходной сигнал 228Х), а сигналы полосовых фильтров 226C, 226D объединяются на вторых выходах фильтров (объединенный выходной сигнал 228Y). Сигналы 228X, 228Y с выходов фильтров объединяются в двухвходовом пассивном 3-дБ сумматоре 232, имеющем два порта 232X, 232Y ввода и порт 232Z вывода. Затем, как показано на фиг.5, объединенный выходной сигнал с порта 232Z вывода подается через антенный переключатель 76 на соответствующее антенное устройство 78.

На фиг.7b показаны соответствующие полосы пропускания с 240А по 240Е пяти фильтров с 226А по 226Е. Полосы пропускания с 240А по 240Е имеют одинаковое номинальное значение максимумов (хотя для ясности полосы пропускания 240С и 240D показаны ниже относительно других), и можно видеть, что ширины полос частот различаются. Как показано на шкале 242 частот, пять лицензированных частотных диапазонов с 242А по 242Е включают в себя частотный диапазон 242С, непосредственно прилегающий к частотным диапазонам 242А и 242В, и частотный диапазон 242D, непосредственно прилегающий к частотным диапазонам 242В и 242Е. В результате этого образуются две группы несмежных частотных диапазонов 242А/242В/242Е и 242C/242D, которые, как показано на фиг.7а, относятся к различным мультиплексорам 222АВЕ и 222CD для режима передачи соответственно.

Поскольку полосы пропускания полосовых фильтров в каждом мультиплексоре 222АВЕ или 222CD для режима передачи разделены полосами задерживания, благодаря которым исключается значительное перекрытие полос пропускания, то, например, сигналы 228Х, поступающие с фильтра 226А, будут проходить к передатчикам 224В и 224Е через фильтры 226В и 226Е только в сильно ослабленном виде и в большинстве случаев могут не приниматься во внимание. То же самое применимо к связи между другими парами передатчиков, относящимися к отдельному мультиплексору для режима передачи, 222АВЕ или 222CD и, следовательно, к фильтрам с 226А по 226Е. Благодаря ослаблению, обеспечиваемому фильтрами с 226А по 226Е, передатчики защищены от других сигналов на выходах, на которых соответственно образуются сигналы 228Х или 228Y и, следовательно, на этих выходах сигналы 228Х или 228Y «объединены идеально». Как подразумевается, выражение «объединены идеально» означает, что поскольку полосы пропускания соответствующих фильтров не перекрываются, то электрический импеданс мультиплексоров 222АВЕ и 222CD на всем протяжении полос пропускания фильтров остается по существу постоянным. Это обеспечивает возможность прохождения входных сигналов от передатчиков с 224А по 224Е через мультиплексор 222АВЕ или 222CD с получением выходного сигнала 228Х или 228Y с минимальным искажением («идеального»), вследствие чего осуществляется желаемая функция объединения. В случае, когда полосы пропускания фильтров перекрываются, импеданс в полосе пропускания не является постоянным, и, следовательно, сигналы, возникающие на выходе мультиплексора, искажены («неидеальные»). Чтобы объединить два сигнала 228Х и 228Y с исключением нежелательного взаимодействия между передатчиками с 224А по 224Е, использован сумматор 232. Сумматор представляет собой пассивный широкополосный 3-дБ элемент и он обеспечивает хорошую развязку, по меньшей мере 20 дБ, между двумя портами ввода 232Х и 232Y, независимо от частотного разделения сигналов на этих портах. Он обеспечивает возможность объединения сигналов, которые близки по частоте, без заметной нежелательной связи передатчиков между собой. Следовательно, группы сигналов на выходах 228Х и 228Y объединяются линейно без неприемлемой степени взаимного взаимодействия и появляются на выходе сумматора 232 в виде по существу идеально объединенного непрерывного частотного спектра.

Хотя имеется внутреннее ослабление сигналов между портами с 232Х по 232Z ввода и вывода сумматора 232, но в отведенной полосе частот оно значительно меньше ослабления, создаваемого схемой объединения для режима передачи, которая полностью выполнена на пассивных элементах. Использование принципа двухкаскадного объединения, описанного со ссылкой на фиг.7а, позволяет получить более эффективную пассивную схему объединения для режима передачи по сравнению с известными архитектурами и исключить необходимость в линейном усилителе мощности для многих несущих частот.

Следовательно, применение структуры позволяет операторам совместно использовать антенное устройство базовой радиостанции как в смежных, так и в несмежных диапазонах передачи. Дорогостоящие многочастотные усилители мощности не нужны, поскольку схема 200 объединения для режима передачи создает меньшее ослабление по сравнению со схемой, показанной на фиг.5. В дополнение к этому в структуре исключается перекрытие полос пропускания фильтров, имеющееся в схеме 72 объединения для режима передачи по фиг.5.

Минимальное число сигналов передачи, которое можно использовать в устройстве, аналогичном схеме 200 объединения для режима передачи по фиг.7, равно двум, при этом два сигнала подаются через соответствующие разделительные фильтры на пассивный 3-дБ сумматор 232. В случае, когда имеются только два передатчика в смежных частотных диапазонах, то нет необходимости в мультиплексировании сигналов передачи, как и в мультиплексоре, таком как 222CD, до подачи их на сумматор 232. В случае, когда имеются два сигнала, частоты которых не близки, их можно объединить, используя один мультиплексор 222, и подать непосредственно на антенный переключатель без пропускания через сумматор, такой как 232, и тем самым уменьшить ослабление сигналов. При трех сигналах передачи, из которых по меньшей мере два находятся в соседних диапазонах, два должны быть объединены в мультиплексоре 222, а третий подан непосредственно на сумматор 232. Однако в случае объединения несмежных частотных диапазонов А, В и Е требуется только один мультиплексор 222АВЕ, а его выходной сигнал 228Х должен быть подан непосредственно на антенный переключатель без пропускания через сумматор 232. Для четырех и более сигналов требуются две группы из двух или более несмежных сигналов, при этом каждая группа должна мультиплексироваться воедино до объединения с другой группой. Обычно в случае объединения менее чем пяти передатчиков ко всем неиспользуемым входам мультиплексоров 222 должна быть подключена нагрузка. В качестве альтернативы неиспользуемые частотные фильтры 226 могут быть исключены из мультиплексора, в результате чего снизятся стоимость, габариты и масса.

Схема 200 объединения для режима передачи более подробно описана в одновременно рассматриваемой заявке № 0108456.5 на патент, содержание которой включено в настоящую заявку посредством ссылки.

Антенная система по фиг.6 дает возможность пяти операторам сети использовать общее антенное устройство. Однако, как описано выше, существует необходимость в антенной системе, которая не только дает возможность нескольким операторам сети использовать общее антенное устройство по существу одновременно, но и также позволит осуществлять независимую электрическую регулировку угла наклона электрической оси антенного устройства каждым оператором и предпочтительно из места, удаленного от самого антенного устройства.

На фиг.8 предпочтительное выполнение антенной системы согласно изобретению в целом показано позицией 700. В этом варианте осуществления антенная система 700 содержит антенное устройство 702, имеющее в сумме двенадцать элементов Е1-Е12 антенны, скомпонованных в виде трех подрешеток 700А (Е1-Е4), 700В (Е5-Е8) и 700С (Е9-Е12). Угол наклона электрической оси антенного устройства 702 можно регулировать с помощью управляющего средства в виде блока объединения углов наклона (БОУН), очерченного пунктирной линий 704 и описанного подробно ниже.

Первый и второй сигналы, Sa и Sb, предназначенные для излучения антенным устройством 702, подводятся к элементам Е1-Е12 антенны по первой и второй высокочастотным линиям 720, 722 соответственно. Антенное устройство 702 включает в себя первый и второй основные разветвители 716А, 716В, запитанные от соответствующей одной из первой и второй входных высокочастотных линий 720, 722. Посредством каждого из разветвителей 716А, 718В образуются два выходных сигнала с по существу одинаковой интенсивностью/мощностью. Первый выходной сигнал с первого разветвителя 716А подается на фазосдвигающее устройство для введения в сигнал от основного разветвителя 716А дополнительного фазового сдвига, обычно между -45 и -60°. Сдвинутый по фазе выходной сигнал подается на дополнительный разветвитель 716С, который выполняет функцию разделения входного сигнала, поступающего на него, на два сигнала с по существу одинаковой интенсивностью. Два выходных сигнала с дополнительного разветвителя 716С подаются на соответствующие добавочные разветвители 716D, 716E, каждый из которых разделяет сигнал, поступающий на него, на два выходных сигнала с по существу одинаковой интенсивностью. Выходные сигналы с добавочных разветвителей 716D, 716E подаются по одному на соответствующие элементы с Е1 по Е4 первой подрешетки 700А. Чтобы иметь дополнительные и отдельные средства для регулировки фазового сдвига сигналов, подаваемых на каждый элемент, каждый элемент с Е1 по Е4 снабжен связанным с ним устройством 151Е1, 151Е2, 151Е3, 151Е4 регулирования фазы соответственно, что дополнительно описано ниже. В режиме приема сигналы объединяются на первой и второй высокочастотных линиях при прохождении в обратном направлении через те же самые устройства.

Из предшествующего описания должно быть понятно, что разветвители 716A, 716C, 716D, 716E выполнены таким образом, что каждый из выходных сигналов, поступающих на элементы с Е1 по Е4 первой подрешетки 700А, представляет собой сигнал с по существу одной и той же интенсивностью.

Второй выходной сигнал с разветвителя 716А предназначен для дополнительного разветвителя 719А, который разделяет входной сигнал, поступающий на него, на первый выходной сигнал, который предназначен для одного входа (А) первого квадратурного сумматора 726А, и второй выходной сигнал, который предназначен для входа (А) второго квадратурного сумматора 726В.

Второй разветвитель 716В образует первый выходной сигнал для дополнительного разветвителя 719В, который разделяет входной сигнал, поступающий на него, на два сигнала с по существу одинаковой интенсивностью, один из которых предназначен для второго входа (В) первого квадратурного сумматора 174А, а другой предназначен для второго входа (В) второго квадратурного сумматора 174В.

Каждый из первого и второго квадратурных сумматоров 726А, 726В образует первый и второй выходные сигналы для двух элементов центральной подрешетки 100В: первый квадратурный сумматор 726А образует сигналы для элементов Е5 и Е6, а второй квадратурный сумматор 726В образует сигналы для элементов Е7 и Е8. Использование первого и второго квадратурных сумматоров 726А, 726В гарантирует, что фаза сигналов, поступающих на элементы с Е5 по Е8, будет средней из фаз сигналов на входных высокочастотных линиях 720, 722. Например, когда мощность, подводимая к элементу Е5, уменьшается, мощность, подводимая к элементу Е6, возрастает, так что общая мощность, подводимая к элементам Е5, Е6, остается по существу неизменной.

Второй выходной сигнал со второго разветвителя 716В проходит через второе фазосдвигающее устройство 717В, которое вводит фазовый сдвиг +45° (то есть противоположного знака по отношению к фазовому сдвигу устройства 717А) в сигнал к разветвителю 716F. Разветвитель 716В разделяет входной сигнал, который поступает на него, на два выходных сигнала с по существу одинаковой интенсивностью, один из которых, в свою очередь, разделяется на два дополнительных сигнала дополнительными разветвителями 716G, 716H. Четыре выходных сигнала с разветвителей 716G, 716H подаются по одному через соответствующее фазосдвигающее устройство, с 150Е9 по 150Е12, на различные элементы с Е9 по Е12 третьей подрешетки.

Следовательно, центральная подрешетка 100В запитана от квадратурного гибридного сумматора с тем результатом, что мощность на центральной подрешетке равна по существу 50% мощности на всей решетки как при передаче, так и приеме сигналов. Для решетки в целом фаза сигнала, образованного для режима передачи, будет средней из фаз сигналов, поступающих по двум входным высокочастотным линиям 720, 722, с дополнительным фазовым сдвигом -45°. Аналогичным образом сигнал, принимаемый центральной подрешеткой 100В, будет иметь промежуточную фазу относительно фаз сигналов, принимаемых другими подрешетками 100А, 100С, и дополнительно сдвинут на -45°.

Каждый из портов 712, 714 ввода на антенном устройстве соединен с портом 752, 754 вывода на блоке 704 объединения углов наклона (БОУН) посредством соответствующих фидеров 756, 758. Блок 704 объединения углов наклона включает в себя первое и второе устройства 730, 740 комбинирования, аналогичные устройству 70, показанному на фиг.5 и 6, при этом выход каждого устройства комбинирования 730, 740 соединен с портами 754, 752 вывода соответственно.

Блок 704 объединения углов наклона также включает в себя средство дифференциального регулирования фазы в виде устройства дифференциального регулирования фазы, в целом обозначенного позицией 750. Устройство 750 дифференциального регулирования фазы содержит субблок дифференциального регулирования фазы для режима ТХ передачи, очерченный пунктирной линией 750а, и субблок дифференциального регулирования фазы для режима RX приема, очерченный пунктирной линией 750b. Субблок 750а дифференциального регулирования фазы для режима передачи включает в себя входной разветвитель 725а, вход которого соединен с выходом единственного радиочастотного порта 726а, связанного с передатчиком (не показанным) первого оператора 760 сети. Входной разветвитель 725а имеет два выхода, каждый из которых подключен ко входу соответственно первой и второй регулируемой линии задержки (в дальнейшем называемой «фазовым регулятором для режима передачи») 760а, 762а. Поэтому сигнал каждого оператора сети, подлежащий передаче, разделяется на два равных по мощности сигнала посредством входного разветвителя 725а, а затем в эти два сигнала вводится дифференциальный фазовый сдвиг посредством фазосдвигающих схем 760a, 762a.

Выход первого фазового регулятора 760а для режима передачи подключен к одному входу схемы 734 объединения для режима передачи в первом устройстве 730 комбинирования. Выход второго фазового регулятора 762а для режима передачи подключен к одному входу схемы 744 объединения для режима передачи во втором устройстве 740 комбинирования.

Субблок 750b дифференциального регулирования фазы для режима приема включает в себя выходной мультиплексор 725b, имеющий два входа и выход. Выход выходного мультиплексора 725b подключен ко входу единственного радиочастотного порта 726b, связанного с приемным устройством (не показанным) первого оператора 760 сети.

Каждый из двух входов выходного мультиплексора 725b соединен с выходом соответственно первой и второй регулируемой линии задержки (в дальнейшем называемой «фазовым регулятором для режима приема») 760b, 762b. Вход первого фазового регулятора 760b для режима приема соединен с выходом демультиплексора 746 во втором устройстве 740 комбинирования. Вход второго фазового регулятора 762b для режима приема соединен с выходом демультиплексора 736 во втором устройстве комбинирования.

Во время работы сигнал, подлежащий излучению антенной системой 700, подается с радиочастотного порта 726а первого оператора 760 базовой станции на вход входного разветвителя 725а. Входной разветвитель 725а разделяет сигнал на два выходных сигнала с одинаковой интенсивностью, и один разделенный сигнал подается на каждый из первого и второго фазовых регуляторов 760а, 762а для режима передачи, находящихся в субблоке 750а дифференциального регулирования фазы для режима передачи.

Первый и второй фазовые регуляторы 760а, 762а для режима передачи управляются оператором сети с целью введения переменной задержки в подаваемый сигнал, в связи с чем фаза сигнала регулируется в пределах диапазона ±45°. Дифференциальное управление фазовыми регуляторами 760а, 762а для режима передачи производится таким образом, что если первый фазовый регулятор 760а для режима передачи вводит положительный фазовый сдвиг в радиочастотный сигнал, приложенный к нему, то второй фазовый регулятор 762а для режима передачи вводит отрицательный фазовый сдвиг в радиочастотный сигнал, приложенный к нему, и наоборот. Использование такого устройства обеспечивает преимущество, заключающееся в том, что величина изменения задержки, требуемая от каждого фазового регулятора для режима передачи, составляет половину от величины, требуемой от альтернативного устройства, когда одна линия задержки обеспечивает фиксированное значение задержки, а другая – возрастающую или уменьшающуюся задержку относительно фиксированного значения. Однако каждый фазовый регулятор 760а, 762а для режима передачи выполнен с возможностью независимого регулирования фазы сигнала, подаваемого на него, так что при необходимости величина фазового сдвига, вводимого каждым фазовым регулятором для режима передачи, может быть иной.

Сигнал со скорректированной фазой с первого фазового регулятора 760а для режима приема подается на вход схемы 734 объединения для режима передачи в первом устройстве 730 комбинирования. Аналогичным образом сигнал со скорректированной фазой со второго фазового регулятора 762а для режима передачи подается на вход схемы 744 объединения для режима передачи во втором устройстве 740 комбинирования. С каждой схемы 734, 744 объединения для режима передачи сигнал со скорректированной фазой подается на вход связанного с ней антенного переключателя 732, 744, с которого в режиме передачи сигнал поступает на порты 754, 752 вывода соответственно.

С портов 752, 754 вывода сигналы со скорректированной фазой подаются по фидерам 756, 758 соответственно на порты 712, 714 ввода антенного устройства 702. На практике фидеры 752, 754 могут быть сделаны настолько длинными, насколько это необходимо, так что блок 704 объединения углов наклона может быть расположен на месте, удаленном от антенного устройства 702, при необходимости на расстоянии, например, нескольких километров.

С портов 712, 714 ввода сигналы со скорректированной фазой подаются по входным высокочастотным линиям 720, 722 в виде сигналов Sa и Sb соответственно на первые разветвители 716А, 716В верхней и нижней подрешеток. В первых разветвителях 716А, 716В верхней и нижней подрешеток сигналы Sa и Sb разделяются и распределяются по антенным элементам с Е1 по Е12 посредством одного или нескольких разветвителей, от второго до седьмого разветвителей с 716С по 716Н верхней и нижней подрешеток, после чего излучаются в виде электромагнитных сигналов к подвижным радиостанциям, находящимся в сотовой ячейке.

Способ, которым сигналы Sa и Sb разделяются и распределяются по элементам с Е1 по Е12 в антенном устройстве 702, должен быть понятен специалистам в области техники, к которой относится изобретение, непосредственно из схемы соединения разветвителей и из предшествующего описания. Схема включения разветвителей обеспечивает хорошее приближение к линейному фазовому фронту на антенне в том случае, когда наклон антенны изменяют электрическим путем с базовой станции 1760. Это достигается путем использования всего двух фидеров 756, 758, и при этом получается относительно простая и экономически эффективная наклоняемая антенная система.

На фиг.8 показана аппаратура, выполненная с возможностью передачи и/или приема сигналов, имеющих только одну поляризацию (например правую поляризацию), хотя на практике также должны передаваться/приниматься сигналы с левой поляризацией. Для каждой поляризации предусмотрены два фидера 756, 758 к антенному устройству 702 и две соответствующие высокочастотные линии 720, 722. Поэтому максимальное число фидеров, необходимых для антенны с двойной поляризацией, равно четырем, что делает конструкцию аппаратуры относительно простой.

Разностью фаз сигналов Sa и Sb определяется угол наклона электрической оси антенного устройства, и поэтому должно быть понятно, что путем задания величины задержки, вводимой в сигналы посредством первого и второго фазовых регуляторов 760а, 762а, можно регулировать угол наклона электрической оси антенного устройства 702. Кроме того, блок 704 объединения углов наклона может находиться на месте, удаленном от самого антенного устройства. Введением дополнительных устройств 150Е1-150Е12 во все тракты сигналов до элементов с Е1 по Е12 обеспечивается средство для дополнительной регулировки фазы сигналов, подаваемых на каждый элемент в подрешетках 700А-700С.

Дополнительные устройства 150Е1-150Е12 могут быть выполнены в виде механических устройств регулирования фазы, таких как диэлектрическое устройство клиновидного типа. Такие устройства регулирования фазы хорошо известны в области техники, к которой относится изобретение, и включают в себя подложку, по которой к антенному элементу проходит линия передачи с T-образным волноводом, и обычно плоскую пластину из диэлектрического материала, расположенную между подложкой и линией передачи с T-образным волноводом. Пластина из диэлектрического материала, обычно называемая «клином», как правило, выполнена прямоугольной с вырезанным вдоль одного продольного края треугольным или V-образным сегментом. Клин может быть перемещен относительно подложки и линии передачи с T-образным волноводом в основном поперек линии передачи с T-образным волноводом. Благодаря форме клина линейное перемещение клина приводит к размещению большего или меньшего количества диэлектрического материала между линией передачи и подложкой, вследствие чего изменяется скорость распространения и, следовательно, фаза любого сигнала в линии передачи с T-образным волноводом будет сдвигаться на величину, зависящую от линейного положения клина. Такое линейное перемещение обычно осуществляют посредством линейного исполнительного механизма в виде серво- или другого преобразователя движения.

Величину фазового сдвига, вводимого в сигнал в линии передачи с T-образным волноводом, задают положением клина под линией передачи с T-образным волноводом, и «углом клина», внутренним углом V-образного выреза в клине.

Коэффициент усиления антенны в направлении максимума диаграммы направленности уменьшается по мере увеличения угла наклона, так что при максимальном угле наклона коэффициент усиления в направлении максимума диаграммы направленности может уменьшиться на 1,5 дБ. Предпочтительно ограничивать предел возрастания боковых лепестков на уровне -15 дБ (или ниже) при увеличении угла наклона до максимального значения. В результате этого происходит расширение диаграммы направленности в вертикальной плоскости и уменьшение абсолютного значения коэффициента усиления антенны в направлении максимума диаграммы направленности. В случае, когда можно допускать уровень боковых лепестков -10 дБ относительно максимума диаграммы направленности, можно получать углы наклона ±20° и более высокое усиление в направлении максимума.

В режиме приема сигналы, принимаемые антенными элементами, передаются через антенные переключатели 732 и 742 к демультиплексорам 736 и 746 соответственно. При этом часть этих сигналов передается на дифференциальные фазовращатели 760b, 762b, связанные с оборудованием оператора сети. Далее сигналы с дифференциальных фазовращателей подвергаются векторному суммированию в мультиплексоре 725b. Соответствующее задание дифференциальных фазовых сдвигов для конкретного оператора сети путем добавления фазового сдвига до мультиплексора 725b приводит к тому, что сигналы будут приниматься по максимуму диаграммы направленности антенны, наклоненному под желаемым углом для этого оператора.

Должно быть понятно, что в качестве альтернативы дифференциальный фазовый сдвиг может быть реализован посредством нерегулируемого фазовращателя вместо одного из регуляторов фазы, 760b или 762b, и регулируемого фазовращателя вместо другого из указанных регуляторов фазы путем создания разницы в фазовом сдвиге по отношению к фиксированному фазовому сдвигу. Также должно быть понятно, что для исключения потерь, обусловленных разделением принятых сигналов, в сигнальный тракт может быть введен усилитель до соответствующего разветвителя 725а (726b), например после антенного переключателя 732 (742). В качестве альтернативы или дополнительно при условии принятия мер предосторожности для исключения возможности нарушения работы передаваемым сигналом усилитель может быть установлен внутри антенного устройства на конце входных высокочастотных линий 720, 722 с получением преимущества, заключающегося в том, что при этом принимаемый сигнал усиливается до его ослабления в линиях 720, 722.

Переменный угол наклона электрической оси антенны, соответствующий каждому оператору, реализуемый на базовой станции 1760, является индивидуальным для каждого оператора, тогда как дополнительный угол наклона, реализуемый посредством механических устройств 150Е1-150Е12 регулировки фазы, является общим для всех операторов. В любом случае установкой дополнительных механических устройств 150Е1-150Е12 регулировки фазы операторам предоставляются средства «точной настройки» угла наклона электрической оси антенной системы. Дополнительный угол наклона может быть получен с помощью механического средства, описанного ранее (например, путем перемещения диэлектрического материала). Однако в качестве альтернативы дополнительный угол наклона может быть получен электрическим способом, например путем использования электрических фазовращателей типа описанных и указанных позициями 760a, 760b, 762a, 762b.

В варианте осуществления, показанном на фиг.8, устройство 750 дифференциального регулирования фазы, включающее в себя субблоки 750a, 750b дифференциального регулирования фазы в режимах передачи и приема, расположено вне базовой станции 1760 оператора. В альтернативном варианте осуществления (не показанном) устройство 750 дифференциального регулирования фазы может быть расположено в базовой станции, в демодуляторах для режимов передачи и приема. В этом случае базовая станция снабжена внешним портом ввода, предназначенным для обеспечения возможности управления устройством 750 дифференциального регулирования фазы. Когда устройство 750 дифференциального регулирования фазы расположено в базовой станции 1760, в базовой станции необходимо иметь два передающих тракта (от каждого из первого и второго регуляторов 760a, 760b фазы для режима передачи применительно к определенной поляризации сигнала), каждый из которых может быть снабжен усилителем мощности, в результате чего обеспечивается возможность удвоения мощности несущей.

Поскольку длина фидеров 756, 758 между портами 752, 754 вывода на блоке 704 объединения углов наклона и портами ввода 712, 714 на антенном устройстве может быть порядка 100 м, то существует возможность того, что изменение длины фидеров может повлиять на фазу передаваемых сигналов. Регулирование фазы в линии передачи обычно осуществляют путем изменения кажущейся длины линии передачи до определенной величины. Поэтому любое изменение длины фидера, например вследствие теплового удлинения или сокращения фидера, может оказывать влияние на фазу сигналов в линии.

Чувствительность к наклону антенного устройства с наклоняемой осью, описанного выше, обычно составляет 17° разности фаз на 1° угла наклона электрической оси антенны. Если требуемые значения разрешения и стабильности угла наклона электрической оси антенны составляют +/-0,2° от заданного угла наклона электрической оси, то необходимое разрешение и стабильность дифференциального фазового сдвига (РСДФС) имеет вид:

РСДФС = +/-0,2·17° = +/-3,4° (фазового сдвига).

Поскольку длина волны на частоте, например 2 ГГц, равна 15 см, дифференциальный фазовый сдвиг +/-3,4° соответствует допустимому изменению электрической длины (ДИЭД), имеющему вид:

ДИЭД = (3,4/360)·15 см = 1,4 мм.

Тепловое удлинение обычного фидерного кабеля составляет 0,01 мм/м/°С. Поэтому при максимальной длине фидерного кабеля 100 м и повышении температуры от 20 до 85°С длина кабеля возрастет на (85-20)·100·0,01 мм (=6,5 см).

Максимальная допустимая разность температур между парой фидеров, соответствующая максимальному допустимому изменению длины 1,4 мм, имеет вид:

Максимальная допустимая разность температур =

= (1,4/0,01)·100 = 1,4°С.

Такое высокое значение чувствительности к различиям электрических длин и температур между фидерами обуславливает необходимость иметь разность фаз сигналов Sa, Sb на портах 712, 714 ввода антенного устройства такой же, как и на портах 754, 752 вывода на блоке 704 объединения углов наклона.

На фиг.9 показана структурная схема первого варианта аппаратуры, в которой автоматически компенсируется разность фаз в фидерах, обусловленная таким тепловым удлинением или сокращением фидеров 756, 758. Аппаратура автоматической фазовой компенсации, в целом обозначенная позицией 900, содержит первое и второе смесительные устройства, очерченные пунктирными линиями 902, 904. Первое смесительное устройство 902 включает в себя первый и второй направленные ответвители или Т-образные ответвители 910, 912, которые слабо связывают сигналы в фидерах 756, 758 со смесителями. Каждый ответвитель 910, 912 имеет вход и два выхода. Вход первого ответвителя 910 соединен с выходом второго устройства 740 комбинирования (не показанного на фиг.9). Первый выходной сигнал первого ответвителя 910 подается на первый вход первого смесителя 916 и на вход фазовращателя 918 на 90°.

Вход второго ответвителя 912 соединен с выходом первого устройства 730 комбинирования (не показанного на фиг.9). Первый выход второго ответвителя 912 подключен к первому входу второго смесителя 922 и к второму входу первого смесителя. Выход фазовращателя 918 на 90° соединен со вторым входом второго смесителя 922. Второй выход первого ответвителя 910 подключен к сигнальному входу первого регулируемого устройства 914 сдвига фаз (в дальнейшем называемого «первым фазирующим устройством»), выходной сигнал которого поступает на порт 752 вывода. Первый выход второго ответвителя 912 подключен к сигнальному входу второго регулируемого устройства 920 сдвига фаз (в дальнейшем называемого «вторым фазирующим устройством»), выходной сигнал которого поступает на порт 754 вывода. Выход каждого из первого и второго смесителей 916, 922 соединен со входом соответственно первого и второго фильтров 924, 926 нижних частот (ФНЧ), при этом выход каждого фильтра нижних частот подключен соответственно к первому и второму входам контроллера 928 обратной связи.

Второе смесительное устройство 904 выполнено по существу идентичным первому смесительному устройству 902, описанному выше. Поэтому второе смесительное устройство 902 включает в себя третий и четвертый направленные ответвители 940, 942 мостового типа, каждый из которых имеет вход и два выхода. Вход первого ответвителя 940 соединен с портом 712 ввода. Первый выход третьего ответвителя 940 подключен к входу первого разветвителя 716А верхней подрешетки, показанного на фиг.8. Второй выходной сигнал третьего ответвителя 940 поступает на первый вход третьего смесителя 946 и на вход второго фазовращателя 948 на 90°.

Вход четвертого ответвителя 942 соединен с портом 714 ввода. Первый выход четвертого ответвителя 942 подключен к входу первого разветвителя 716В нижней подрешетки, показанного на фиг.8. Второй выходной сигнал четвертого ответвителя 942 подается на первый вход четвертого смесителя 952 и на второй вход третьего смесителя 946. Выход второго фазовращателя 948 на 90° соединен со вторым входом четвертого смесителя.

Выход каждого из третьего и четвертого смесителей 946, 952 соединен со входом соответственно третьего и четвертого фильтров 954, 956 нижних частот, выход каждого фильтра нижних частот подключен посредством первого и второго кабелей 960, 962 обратной связи к третьему и четвертому входам соответственно контроллера 928 обратной связи.

Выход контроллера 928 обратной связи соединен через соответствующие усилители 930a, 930b со входом управления первого и второго фазирующих устройств 914, 920. Вход управления каждого фазирующего устройства 914, 920 предназначен для регулирования величины фазового сдвига, вводимого в сигнал, в зависимости от сигналов, подаваемых на вход управления.

Из указанного выше должно быть понятно, что первое смесительное устройство 902, первое и второе фазирующие устройства 914, 920, контроллер 928 и усилители 930a, 930b расположены в блоке 704 объединения углов наклона и что второе смесительное устройство 904 расположено в основном в антенном устройстве 702. Другими словами, первое и второе смесительные устройства 902, 904 находятся на противоположных концах фидеров 756, 758 и соединены ими. Это показано и описано более подробно со ссылкой на фиг.11.

Устройство 900 автоматической фазовой компенсации предназначено для компенсации любого изменения разности фаз сигналов Sa, Sb на одном из двух концов фидеров 756, 758. Такое изменение может быть обусловлено, например, разницей в тепловом удлинении или сокращении фидеров. Способ компенсации фаз в фидерах, реализованный посредством устройства по фиг.9, является общим для всех сигналов, излучаемых антенным устройством, и поэтому является общим для всех операторов антенны.

Во время работы сигналы Sa, Sb выводятся с первого и второго устройств 730, 740 комбинирования, что описано со ссылкой на фиг.8, и поступают на входы первого и второго ответвителей 910, 912 соответственно. В первом ответвителе 910 выделяется часть сигнала Sa, подаваемая на первый вход первого смесителя 916 и на вход фазовращателя 918 на 90°. В фазовращателе на 90° фаза выделенной части сигнала Sa сдвигается на 90° и после этого она подается на второй вход второго смесителя 922.

Во втором ответвителе 912 выделяется часть сигнала Sb, подаваемая на первый вход второго смесителя 922 и, кроме того, на второй вход первого смесителя 916. В каждом смесителе 916, 922 происходит смешивание сигналов, поступающих на его входы, а смешанные выходные сигналы подводятся к первому и второму фильтрам 924, 926 нижних частот (ФНЧ) соответственно. Должно быть понятно, что смешанный сигнал, поступающий на первый фильтр 924 нижних частот с первого смесителя 916, будет пропорционален синфазной составляющей несущей сигналов Sa, Sb, тогда как смешанный сигнал, поступающий на второй фильтр 926 нижних частот со второго смесителя 922, будет пропорционален квадратурной составляющей несущей сигналов Sa, Sb. Использование синфазной и квадратурной составляющих необходимо для того, чтобы получать однозначный результат измерения разности фаз сигналов Sa и Sb.

Фильтры 924, 926 нижних частот удаляют из смешанных сигналов по существу все, кроме составляющих постоянного тока, включая составляющие несущих и любые временные флуктуации, порожденные несущими, имеющими нулевое значение, после амплитудной модуляции в смесителях, и сигналы постоянного тока поступают на первый и второй входы контроллера 928 обратной связи.

Из сигналов Sa, Sb, поступающих на второе смесительное устройство 904 по фидерам 756, 758, также выделяются части посредством третьего и четвертого Т-образных ответвителей 940, 942, и они подаются на третий и четвертый смесители 946, 952 описанным выше образом. Поэтому выходные сигналы третьего и четвертого смесителей пропорциональны синфазной составляющей несущей и квадратурной составляющей сигналов Sa, Sb соответственно. Смешанные сигналы подаются на третий и четвертый фильтры 954, 956 нижних частот, которые опять отфильтровывают все за исключением составляющих постоянного тока в сигналах, и сигналы постоянного тока поступают на третий и четвертые входы контроллера 928 обратной связи.

На фиг.10 показан пример выходных сигналов первого и второго (или третьего и четвертого) фильтров нижних частот в зависимости от разности фаз сигналов на их входах.

Путем сравнения выходных сигналов фильтров 924, 926, 954, 956 нижних частот в контроллере 928 обратной связи могут быть вычислены следующие характеристики антенной системы: разность фаз сигналов Sa, Sb в блоке 704 объединения углов наклона, разность фаз сигналов Sa, Sb на антенном устройстве 702 и степень корректировки фазовой ошибки, необходимой для компенсации различия в разности фаз в блоке управления и на антенном устройстве.

В дополнение к этому в контроллере 928 обратной связи могут быть определены мощность несущей сигналов Sa, Sb в блоке 704 управления, мощность несущей сигналов Sa, Sb на антенном устройстве 702 и ослабление или затухание сигналов по длине фидеров 756, 758.

Кроме того, при работе контроллера 928 обратной связи на его выходе образуется сигнал управления, который через усилители 930a, 930b поступает на входы управления фазой первого и второго фазирующих устройств 914, 920. Первым и вторым фазирующими устройствами регулируется величина фазового сдвига, вводимого в сигналы Sa, Sb в зависимости от сигнала управления с контроллера 928 обратной связи, с тем чтобы снизить ошибку до минимального уровня. Другими словами, при работе контроллера 928 обратной связи гарантируется, что разность фаз сигналов Sa, Sb в блоке 704 управления равна разности фаз сигналов Sa, Sb на антенном устройстве 702. Процесс осуществляется над составным сигналом всех несущих, а фазовая компенсация осуществляется в случае, когда разность фаз на антенном устройстве отклоняется от разности фаз в блоке управления на заранее заданную величину. Поэтому любое изменение фаз сигналов в фидерах 756, 758 компенсируется.

На фиг.11 в виде структурной схемы показан предпочтительный вариант выполнения антенной системы, которая является иллюстрацией того, каким образом устройство автоматической фазовой компенсации, показанное на фиг.9, может быть использовано в системе по фиг.8. Хотя масштаб чертежа выбран таким, что отдельные части системы показаны менее детально, чем на предшествующих чертежах, и хотя соединения показаны только для одного пользователя и только для одной поляризации, должно быть понятно, что пять операторов 1760А-1760Е могут использовать антенную систему по существу одновременно, посредством которой каждый оператор передает и принимает сигналы в особом частотном диапазоне оператора.

На фиг.11 с целью иллюстрации того, каким образом система настоящего изобретения может быть использована с антенным устройством с двойной поляризацией, показаны два блока 704a, 704b объединения углов наклона. Каждый блок 704a, 704b объединения углов наклона включает в себя устройство 900 автоматической фазовой компенсации, аналогичное устройству, показанному на фиг.9, часть которого расположена в самом антенном устройстве 702, пару устройств 730, 740 комбинирования, аналогичных устройствам, показанным на фиг.8, и пять устройств 750 дифференциального регулирования фазы (полностью показано только одно устройство дифференциального регулирования фазы), по одному на каждого оператора, аналогичные устройству, показанному на фиг.9.

Каждый оператор с 1760А по 1760Е имеет на базовой станции 1760 порт 726а передатчика и порт 726b приемника, каждый из которых соединен с соответствующим устройством дифференциального регулирования фазы способом, описанным выше. Поскольку имеются пять операторов, желающих использовать антенную систему, блок объединения углов наклона включает в себя десять субблоков дифференциального регулирования фазы, по два для каждого оператора. Выходы субблоков дифференциального регулирования фазы подключены к входам схем 734, 744 объединения для режима передачи или к выходам демультиплексоров 736, 746 в первом и втором устройствах 730, 740 комбинирования способом, описанным со ссылкой на фиг.8.

Выходной сигнал каждого устройства 730, 740 комбинирования поступает на первое и второе смесительные устройства соответственно устройства 900 автоматической фазовой компенсации, описанного со ссылкой на фиг.9. Любые изменения разности фаз сигналов Sa, Sb, определяемые на блоке 704 объединения углов наклона посредством смесительного устройства 902 и на антенном устройстве 702 посредством смесительного устройства 904, влияют на угол наклона антенного устройства для всех операторов и поэтому компенсируются устройством 900 автоматической фазовой компенсации. После этого скомпенсированные сигналы поступают на антенное устройство для излучения обычным образом.

Как упоминалось выше, каждая из схем 734, 744 объединения для режима ТХ передачи в устройствах 730, 740 комбинирования имеет пять входов, а каждый из демультиплексоров 736, 746 имеет пять выходов. Поэтому должно быть понятно, что, хотя для каждого оператора требуются два субблока дифференциального регулирования фазы, один для передачи и один для приема RX, все пять операторов могут совместно использовать два устройства 730, 740 комбинирования в блоке 704 объединения углов наклона. Каждый из других операторов, использующий базовую станцию, имеет соответствующую пару субблоков дифференциального фазового регулирования, выходы которых подключены к другим входам схем 734, 744 объединения для режима передачи или к выходам мультиплексоров 736, 746 в устройствах 730, 740 комбинирования. Поскольку дифференциальный фазовый сдвиг сигналов осуществляется до мультиплексирования посредством схем 734, 744 объединения для режима передачи, каждый оператор может независимо задавать индивидуальный угол наклона.

Хотя использование аппаратуры по фиг.11 обеспечивает получение преимущества, заключающегося в том, что в ней компенсируются любые различия в длине фидеров 756, 758, возникающие вследствие, например, различного теплового удлинения или сокращения фидеров, но способ фазовой компенсации является общим для всех операторов системы. В дальнейшем предпочтительном варианте осуществления фазовая компенсация осуществляется отдельно для каждого оператора. Кроме того, аппаратурой по фиг.11 обеспечивается компенсация только разностей фаз, возникающих на длине фидеров к антенному устройству, тогда как на практике фазовые ошибки также могут возникать, например в устройствах 730, 740 комбинирования и во входных высокочастотных линиях 720, 722.

На фиг.12 представлена структурная схема антенной системы, включающей в себя аппаратуру согласно второму варианту, предназначенную для компенсации отдельно для каждого оператора любых изменений разности фаз сигналов Sa, Sb между концом антенных элементов тракта передачи и концом базовой станции тракта передачи. В этом варианте осуществления антенная система содержит антенное устройство 702 и блок 704 объединения углов наклона, выполненные так, как описано со ссылкой на фиг.8. Кроме того, антенное устройство включает в себя модуль 1010 векторного измерительного приемника. Модуль 1010 векторного измерительного приемника содержит векторный измерительный приемник (ВИП) 1012 и контроллер 1014 векторного измерительного приемника (КВИП), соединенный с ним. На фиг.12 антенное устройство 702 опять представляет собой антенну с двойной поляризацией и, как показано, для нее требуются два векторных измерительных приемника, каждый из которых соединен с общим контроллером 1014 векторного измерительного приемника. Однако для ясности ниже описаны соединения и принцип действия векторного измерительного приемника 1012 только для одной поляризации. В качестве альтернативы может быть использован один векторный измерительный приемник, снабженный переключающим средством для переключения входов векторного измерительного приемника между двумя поляризациями системы.

Блок 704 объединения углов наклона включает в себя контроллер 1016 блока объединения углов наклона, который соединен с контроллером 1014 векторного измерительного приемника посредством кабеля 1018 контроллера, по которому могут передаваться цифровые сигналы. Кабель 1018 контроллера также предназначен для передачи электрической энергии, необходимой модулю 1010 векторного измерительного приемника на антенном устройстве 702. Контроллер 1016 блока объединения углов наклона имеет выход управления, который подключен к входу управления каждого из фазовых регуляторов 760a, 760b, 762a, 762b для режимов передачи и приема в двух субблоках 750a, 750b дифференциального регулирования фазы. Контроллер 1016 блока объединения углов наклона также имеет вход управления для приема от оператора сети сигнала управления, предназначенного для задания требуемого угла наклона антенного устройства 702. В каждую из входных высокочастотных линий 720, 722 введен соответствующий T-образный ответвитель или сниффер. Выход каждого сниффера 1020, 1022 подключен к входу векторного измерительного приемника 1012.

На фиг.13 представлена структурная схема векторного измерительного приемника 1012 и показано соединение его с контроллером 1014 векторного измерительного приемника. Выходной сигнал каждого из T-образных ответвителей 1020, 1022 подается на вход соответствующего аттенюатора (АТ) 1024, 1026, выход каждого из которых подключен к первому входу соответственно первого и второго приемных устройств 1028, 1030. Выходной сигнал первого приемного устройства подается на вход первого ограничителя 1032, выход которого соединен через фазовращатель 1036 на 90° с первым компаратором 1034 и, кроме того, непосредственно со входом второго компаратора 1038. Выходной сигнал второго приемного устройства 1030 подается на вход второго ограничителя 1040, выход которого соединен непосредственно с первым и вторым компараторами 1034, 1038.

Каждое из первого и второго приемных устройств 1028, 1030 выполнено настраиваемым посредством гетеродина (Г) 1042. Гетеродин 1042 генерирует сигнал на определенной частоте, который объединяется в соответствующем приемном устройстве с сигналом от T-образного ответвителя для образования выходного сигнала промежуточной частоты (ПЧ), при этом сигнал промежуточной частоты подается на соответствующие ограничители 1032, 1040. Назначение гетеродина 1042 состоит в обеспечении возможности настройки первого и второго приемных устройств 1028, 1030 на каждую из частот, используемых операторами. Этим обеспечивается возможность измерения фазы сигналов Sa, Sb от более чем одного оператора, и, следовательно, различия в компенсации ошибок на разных частотах операторов могут быть ликвидированы.

Выход каждого из первого и второго компараторов 1034, 1038 подключен к входу соответствующего фильтра 1044, 1046 нижних частот, при этом выходные сигналы фильтров подаются на соответствующие входы контроллера 1014 векторного измерительного приемника.

Что касается обеих фиг.12 и 13, то при работе блока 704 объединения углов наклона, описанной выше, сигналы Sa, Sb подаются на фидеры 756, 758, и эти сигналы на портах 712, 714 ввода являются входными для антенного устройства 702 и поступают на входные высокочастотные линии 720, 722. Посредством первого и второго T-образных ответвителей 1020, 1022 выделяется часть соответствующего сигнала Sa, Sb, а выделенная часть подается на соответствующий аттенюатор 1024, 1026. Назначение аттенюаторов заключается в установлении уровня сигнала, вводимого в соответствующее приемное устройство, при котором получаются оптимальные характеристики приемного устройства в части динамического диапазона, линейности и помехоустойчивости. Ослабленная часть сигнала Sa, Sb в соответствующем приемном устройстве 1028, 1030 объединяется с сигналом, поступающим на него с гетеродина 1042, а с выхода каждого приемного устройства 1028, 1030 сигнал промежуточной частоты проходит через соответствующий ограничитель 1032, 1040 для исключения изменений амплитуды сигналов.

Выделенная часть сигнала Sa подается на первый компаратор 1034 через фазовращатель 1036, посредством которого фаза сигнала изменяется на 90°. Выделенная часть сигнала Sb подается непосредственно на первый компаратор 1034. Выходной сигнал первого компаратора 1034 поступает на первый фильтр 1044 нижних частот, в котором из сигнала удаляется по существу все, включая любые остаточные составляющие несущих в выходном сигнале компаратора, а также любые временные изменения, обусловленные прохождением через нулевое значение амплитуд сигналов на входах компараторов, за исключением составляющих постоянного тока.

Выделенная часть сигнала Sa также подается непосредственно на второй компаратор 1038, как и выделенная часть сигнала Sb. Выходной сигнал второго компаратора 1038 поступает на второй фильтр 1046 нижних частот, посредством которого, аналогично первому фильтру нижних частот, из сигнала удаляется по существу все, включая любые остаточные составляющие несущих в выходном сигнале компаратора, а также любые временные изменения, обусловленные прохождением через нулевое значение амплитуд сигналов на входах компараторов, за исключением составляющих постоянного тока.

Поэтому выходной сигнал первого фильтра 1044 нижних частот является квадратурным представлением разности фаз сигналов Sa и Sb, тогда как выходной сигнал второго фильтра 1046 нижних частот является синфазным представлением разности фаз сигналов Sa и Sb. Квадратурное и синфазное представления необходимы для обеспечения однозначного измерения разности фаз сигналов Sa и Sb.

В первом и втором приемных устройствах 1028, 1030 также формируется соответствующий показатель интенсивности сигнала в приемном устройстве, каждый из которых поступает в контроллер 1014 векторного измерительного приемника для последующей передачи в контроллер 1016 блока объединения углов наклона. Показатель интенсивности сигнала в приемном устройстве (ПИСПУ) используется с целью осуществления встроенного контроля и в качестве признака при оценке состояния и надежности системы. Контроллер 1014 векторного измерительного приемника также снабжен датчиком температуры и нагревателем 1048. Датчик измеряет температуру в контроллере векторного измерительного приемника и подключает нагреватель с целью ограничения минимальной рабочей температуры на удовлетворительном уровне для обеспечения правильной работы.

Выходной сигнал контроллера 1014 векторного измерительного приемника представляет собой результат непосредственного измерения разности фаз сигналов Sa и Sb, и он поступает на контроллер 1016 блока объединения углов наклона по кабелю 1018 цифрового управления. Контроллер 1016 блока объединения углов наклона предназначен для настройки первого и второго приемных устройств 1028, 1030 на конкретную частоту и для получения требуемого угла наклона (то есть требуемой разности фаз сигналов Sa и Sb) на этой частоте. При получении измеренной разности фаз сигналов Sa и Sb на требуемой частоте с контроллера 1016 блока объединения углов наклона поступают сигналы управления на входы управления первого и второго фазовращателей для режимов передачи и приема в каждом из субблоков 750a, 750b дифференциального регулирования фазы, так что фактический угол наклона электрической оси антенного устройства 702 будет таким же, как и требуемый угол наклона электрической оси.

Должно быть понятно, что аппаратурой по фиг.12 обеспечивается возможность независимой компенсации фазовых ошибок для различных операторов (то есть для их различных рабочих частот) посредством модуля 1010 векторного измерительного приемника. Операции измерения и регулировки фазы могут осуществляться при первоначальном включении системы, при необходимости изменить требуемый угол наклона электрической оси антенны и/или периодически для компенсации тепловых флуктуаций в фидерах, например каждые 10 мин.

Кроме того, контроллеру 1016 блока объединения углов наклона можно задать либо режим местного управления, либо режим дистанционного управления. В режиме местного управления угол наклона электрической оси антенны, запрашиваемый каждым оператором, задается локально посредством блока 704 объединения углов наклона. В режиме дистанционного управления необходимый угол наклона электрической оси антенны может быть задан на удалении, например по радиоканалу или телефонной линии и т.п.

Блоком 704 объединения углов наклона также обеспечивается возможность отображения, на месте и/или на удалении, углов наклона электрической оси антенного устройства, запрошенных каждым оператором, действительных углов электрической оси антенного устройства, расхождений между запрошенными и действительными углами наклона электрической оси для каждого оператора, уровней мощности на антенном устройстве для радиочастотных сигналов каждого оператора, температуры антенного устройства и напряжений питания и токов блока объединения углов наклона.

На фиг.14 показано использование пятью операторами антенной системы по фиг.12, содержащей антенное устройство с двойной поляризацией. Для ясности показаны соединения только для одной поляризации и для одного оператора. Должно быть понятно, что вариант осуществления по фиг.14 аналогичен варианту осуществления по фиг.11 за исключением того, что устройство автоматической фазовой компенсации по фиг.11 заменено модулем 1010 векторного измерительного приемника по фиг.12 и 13.

При некоторых условиях аппаратура по фиг.12-14 будет удовлетворять требованиям, предъявляемым к компенсации разностей фаз сигналов различных операторов. Однако способ основан на результатах измерений на протяжении тракта передачи, тогда как точность можно дополнительно повысить путем независимого измерения разности фаз также на протяжении тракта приема. Применительно к этому описанию предполагается, что «тракт передачи» для сигналов означает путь, проходимый задержанными сигналами с выхода блока 704 объединения, когда они проходят по фидерам 756, 758, по входным высокочастотным линиям 720, 722 и к антенным элементам, включая разветвитель, усилитель, фильтр и другие компоненты, находящиеся на этом пути. Предполагается, что «тракт приема» для сигналов означает путь, проходимый сигналами, принятыми на антенных элементах, когда они проходят по высокочастотным линиям 720, 722, фидерам 756, 758 и к блоку 704 объединения, включая разветвитель, усилитель и фильтр и другие компоненты, находящиеся на этом пути.

На фиг.15 и 16 показана дополнительно усовершенствованная аппаратура, в которой компенсация разности фаз осуществляется раздельно для режимов передачи и приема (то есть раздельно для трактов передачи и приема), а также для индивидуальных частот операторов. Для простоты на фиг.15 показаны только две антенные подрешетки (в противоположность трем подрешеткам на фиг.8) антенного устройства 1502 с двойной поляризацией; первая подрешетка 1500А⁺ для правой поляризации и вторая подрешетка 1500В⁺ для правой поляризации, а также две подрешетки 1500А^–, 1500В^– для левой поляризации. Принцип действия канала левой поляризации точно такой же и поэтому он не будет описываться более подробно. При наличии только двух подрешеток 1500А⁺ и 1500В⁺ разветвители (716А-716Н) и сумматоры (726А, 726В) по фиг.8 не требуются, а с высокочастотных линий 720, 722 входные сигналы поступают непосредственно на подрешетки 1500А, 1500В.

В способе, использованном для измерения и коррекции отклонений временной задержки между трактами передачи и приема с целью управления углом наклона электрической оси антенны, измеряют разность фаз в трактах сигналов как в режиме передачи (ТХ), так и в режиме приема (RX). Это измерение осуществляют при использовании частот, применяемых для передатчика базовой станции (в нисходящей линии связи) или применяемых для приемного устройства базовой станции (в восходящей линии связи). Используя этот способ, можно измерять разность фаз между парой фидеров, на частотах, применяемых каждым оператором для передачи и приема в соответствии с распределением.

Сначала рассмотрим измерение разности фаз для тракта приема, в котором антенное устройство (показанное на фиг.15) включает в себя генератор 1610 калибровочного тонального сигнала, содержащий задающий генератор 1612 калибровочного сигнала, регулируемый аттенюатор (АТ) 1614, полосовой фильтр (ПФ) 1616 и второй аттенюатор 1618. Кроме того, можно заметить векторный измерительный приемник 1012 по фиг.8 и 12 наряду с контроллером 1640 калибровки антенны, который управляет генератором 1610 калибровочного тонального сигнала и соединен с контроллером калибровки системы в базовой станции 1762. Генератор 1610 калибровочного тонального сигнала предназначен для формирования немодулированных тональных сигналов в полосе 200 Гц, предпочтительно стабилизированных до +/-10 кГц на частоте 2 ГГц или до +/-2 частей на 10⁵. Частоту тонального сигнала подстраивают до значения, необходимого для измерения угла наклона при приеме для конкретного оператора посредством контроллера 1640 калибровки антенны. Уровень сигнала можно регулировать посредством аттенюатора 1614, полосовой фильтр 1616 предусмотрен для предотвращения прохождения сигналов на частотах передачи от задающего генератора 1612 калибровочного сигнала (то есть могут проходить только частоты приема), а второй аттенюатор 1618 необходим для согласования импедансов.

Тональный сигнал поступает на первый разветвитель/объединитель (SP1) 1620, откуда он распределяется по четырем одинаковым трактам 1660a, 1660b, 1662a, 1662b сигнала, по двум трактам 1660a, 1660b сигнала к первому и второму фидерам 720, 722 правой поляризации и по двум трактам 1662a, 1662b сигнала к первому и второму фидерам 1521, 1523 левой поляризации. Затем каждый сигнал через соответствующий разветвитель/объединитель (Р/О) 1622-1628 подается на соответствующий фидер. Для простоты будут рассматриваться только фидеры 756, 758 и высокочастотные линии 720, 722 к подрешеткам для решетки правой поляризации, но должно быть понятно, что те же самые принципы фазовой компенсации применимы к фидерам 1756, 1758 и к высокочастотным линиям 1720, 1722 в случае решетки левой поляризации.

Тональный сигнал или каждая его часть вводится в высокочастотные линии 720, 722 на краю каждого канала приема (обычно каналы разнесены по частоте на 5 МГц) через направленный ответвитель, так что тональный сигнал не взаимодействует с и не добавляется к принимаемому сигналу. Тональный сигнал, подаваемый вниз по каждой из высокочастотных линий 720, 722, поступает на соответствующие устройства, состоящие из полосовых фильтров и усилителей. Устройства 1642, 1644 одинаковы и каждое включает в себя соответствующую ветвь 1642а, 1644а для частоты приема и соответствующую ветвь 1642b, 1644b для частоты передачи. Ветвь для частоты приема каждого устройства включает в себя полосовой фильтр для избирательной передачи частот приема (ПФ, ЧПр). Ветвь для частоты передачи каждого устройства включает в себя полосовой фильтр для избирательной передачи частот передачи (ПФ, ЧПер). В ветвь 1642а, 1644а также желательно включать усилитель с низким уровнем шума (УНШ).

Согласно фиг.16, сигнал, прошедший через ветви 1642b, 1644b для частоты передачи, поступает на базовую станцию 1762 на портах 752, 754 (также показанных на фиг.12). На фиг.16 показана базовая станция 1762 для пяти различных операторов, хотя компоненты базовой станции показаны только для части операторов. В том случае, когда на фиг.16 приведено обозначение «/5», это означает, что имеются пять таких компонентов (хотя и непоказанных), и то же самое справедливо для других чисел (например, «/30» указывает на наличие 30 таких компонентов).

Для первой подрешетки 1500А⁺ антенны 1502 и соответствующей ей высокочастотной линии 720 в базовой станции 1762 предусмотрен один фильтр 1650а для приема сигналов, которые затем разделяются пятивходовым разветвителем 1651 для подачи на соответствующие регулируемые линии 760b задержки (то есть эквивалентные линиям задержки, показанным на фиг.12; и только одна из которых показана для одного из операторов). Сигналы приема с другой подрешетки 1500В по соответствующей высокочастотной линии 722 проходят через фильтр 1650b к второй регулируемой линии 762b задержки (и опять только одна из которых показана для одного из операторов).

Сигналы приема, переданные обратно вниз по высокочастотным линиям 720, 722 на базовую станцию 1762, поступают через соответствующие фильтры 1650a, 1650b на второй векторный измерительный приемник (ВИП) 1638 в блоке управления антенной или в базовой станции 1762 через соответствующие направленные ответвители 1632, 1634. В режиме приема тональные сигналы, сформированные в задающем генераторе 1612 калибровочного тонального сигнала и поданные вниз по высокочастотным линиям 720, 722, проходят по тому же тракту приема, что и сигналы приема. Векторным измерительным приемником 1638 управляет контроллер 1646 калибровки системы (ККС), и при его действии выбирается соответствующая пара направленных ответвителей 1632, 1634 для отдельного оператора для того, чтобы получить образец принятого тонального сигнала, подходящий для измерения. Измерения задержки между тональными сигналами, прошедшими по линиям 720, 756 и по линиям 722, 758 (то есть «измерение разности фаз в тракте приема») осуществляются посредством векторного измерительного приемника 1638 при использовании информации об интенсивности сигнала, а результаты измерений направляются в контроллер 1646 калибровки системы. Измеренное различие в разности фаз между парами фидеров 720, 756 и 722, 758 на антенне и концом устройства комбинирования тракта приема используется для корректировки разности фаз на антенне на величину, необходимую для обеспечения достижения угла наклона электрической оси антенны, затребованной отдельным оператором. В частности, посредством контроллера 1646 калибровки системы регулируется переменная задержка, соответствующая отдельному оператору, до получения требуемой задержки, допустимой при любых отклонениях в тракте приема. Эта операция может быть осуществлена последовательно для каждого оператора, что часто необходимо для сохранения точной юстировки антенны.

В случае калибровки тракта приема (то есть фазовой компенсации) желательно выбирать тональный сигнал, имеющий частоту, находящуюся на или близкую к краю частотного канала оператора, но равным образом частота тонального сигнала может быть выбрана внутри частотного канала оператора. Обычно каналы тракта приема имеют полосу 5 МГц и предпочтительно, чтобы тональный сигнал имел полосу 200 Гц.

Ниже со ссылкой на фиг.16 рассмотрен тракт передачи, где базовая станция 1762 также включается в себя соответствующие фильтры 1652А, 1654А для режима передачи, соединенные с фидерами 720, 722. Фильтры 1652А, 1654А обеспечивают возможность фильтрации частотных сигналов передачи для оператора А, но препятствуют прохождению частотных сигналов приема. Для каждого из операторов В и Е также предусмотрены соответствующие фильтры 1652В, 1652Е и 1654В, 1654Е для режима передачи, подключенные к каждой из высокочастотных линий 720, 722.

В этом конкретном варианте осуществления изобретения операторы С и D осуществляют передачу на элементы (1500А^– и 1500В^–) антенны с левой поляризацией, тогда как операторы А, В и Е осуществляют передачу на элементы (1500А⁺ и 1500В⁺) антенны с правой поляризацией.

Так же, как описано ранее для фиг.8 и 12, сигналы передачи для каждого из трех операторов А, В и Е разделяются разветвителем 725а и подаются через соответствующую регулируемую линию 760а (А, В или Е) задержки на фильтры 1652А, 1652В, 1652Е, 1654А, 1654В, 1654Е. Каждый фильтр предназначен для пропускания сигналов, находящихся в частотном диапазоне конкретного оператора, и передачи сигналов передачи отдельного оператора на высокочастотные линии 720, 722 соответственно.

С целью калибровки тракта передачи направленным ответвителем 1630 антенны 1502 (показанным на фиг.15) выделяется небольшая часть частотных сигналов передачи из каждой высокочастотной линии 720, 722, и два сигнала подаются по линиям 1656, 1658 на векторный измерительный приемник 1012 в антенне 1502. Для каждого частотного канала оператора в векторном измерительном приемнике 1012 выполняется измерение разности фаз сигналов передачи, подаваемых на фидер 720, и сигналов, подаваемых на фидер 722, на по существу центральной частоте выбранного частотного диапазона сигнала передачи, называемое «дифференциальным измерением фазы в тракте передачи». Для каждого конкретного оператора частотный диапазон дифференциального измерения фазы предпочтительно выбирать аналогичным частотному диапазону сигнала передачи.

Результат выполненного на антенне дифференциального измерения фазы в тракте передачи передается назад в контроллер 1640 калибровки антенны, который связан с контроллером 1646 калибровки системы (что показано на фиг.16) в базовой станции 1762. Посредством контроллера 1646 калибровки системы измеренная разность фаз сигналов передачи на антенне сравнивается с измеренной разностью фаз, заданной в базовой станции 1762, и осуществляется регулировка разности фаз на антенне для достижения требуемого угла наклона электрической оси антенны для каждого оператора в режиме передачи, несмотря на любую разность фаз между концами трактов передачи.

Использование способа фазовой дифференциальной компенсации, описанного со ссылками на фиг.15 и 16, обеспечивает преимущество, заключающееся в том, что угол наклона точно устанавливается независимо в режимах передачи и приема, независимо для каждого из операторов с А по Е путем учета разности фаз. Способ обеспечивает для всех распределений частот передачи и приема между операторами возможность калибровки по разности фаз между трактами передачи и приема не только во время непрерывной работы, но также и при производственной регулировке и испытании, при подготовке к работе и техническом обслуживании. В свою очередь, калибровка или операция компенсации может осуществляться для каждого оператора столь часто, насколько это необходимо для сохранения точной юстировки антенны.

Например, в аппаратуре, показанной на фиг.9, необходимый угол наклона может быть получен точно только на одной частоте, поскольку для других частот разность фаз на концах фидеров 756, 758 будет иной и, следовательно, направление, в котором фазы складываются для получения максимального коэффициента («максимум диаграммы направленности»), будут другими. В такой системе разность фаз не только различается для различных частот передачи (то есть для различных операторов), но различается на концах каждого из трактов передачи и приема. При использовании системы по фиг.15 и 16 желаемый угол наклона может быть получен точно для каждого оператора, и можно гарантировать, что он будет тем же самым в режимах передачи и приема, если это требуется, поскольку любая разность фаз, которая возникает между двумя трактами, компенсируется. Кроме того, если для оператора требуется, чтобы угол наклона отличался в режиме передачи от угла наклона в режиме приема, то это может быть обеспечено в системе.

В качестве альтернативы тональному сигналу для калибровки тракта приема в задающем генераторе 1612 может формироваться сигнал с широким спектром. Должно быть понятно, что при использовании этого способа направленные ответвители 1632, 1634 связывают радиочастотный широкополосный калибровочный сигнал с сигналами приема с целью осуществления измерения в векторном измерительном приемнике 1638 в базовой станции 1762.

Чтобы исключить размещение задающего генератора 1612 в антенне 1502, на верхней части антенной мачты, равно как и связанных с ним ослабляющих и фильтрующих компонентов 1614, 1616, 1618, может быть предусмотрен преобразователь частоты для обеспечения возможности введения образцов частотных сигналов передачи (для каждого оператора) в соответствующий тракт приема. Путем измерения задержки между сигналами передачи в нижней части тракта приема может быть определена дифференциальная задержка в разных местах всего тракта передачи/приема, а посредством контроллера 1646 калибровки системы может быть осуществлена соответствующая регулировка для каждого частотного канала оператора. Чтобы получить отдельный результат измерения только для тракта передачи, тот же самый сигнал передачи может быть введен в тракт приема для каждого канала оператора, то есть сигнал передачи для одного оператора будет использоваться по существу в качестве калибровочного сигнала для всех операторов. Путем сравнения результата дифференциального измерения фазы для тракта приема с результатом дифференциального измерения фазы для контура передачи/приема для каждого оператора может быть определена разность фаз для тракта передачи.

В качестве дополнительного альтернативного варианта осуществления необходим только один векторный измерительный приемник 1012, который находится в базовой станции 1762. В этом случае задающий генератор калибровочного сигнала в антенне 1502 работает на частотах передачи и приема, так что сигналы частоты передачи проходят обратно вниз по высокочастотным линиям 720, 722 в базовую станцию 1762 для измерения разности фаз. Поэтому векторный измерительный приемник 1012 в базовой станции 1762 также должен быть настроен как на частоты передачи, так и на частоты приема. Можно передавать сигналы частоты передачи обратно вниз по высокочастотным линиям 720, 722 к векторному измерительному приемнику 1012 в базовой станции 1762 с целью фазовой компенсации, когда тракт передачи не имеет усилителя или других активных приборов, которые препятствуют прохождению в обратном направлении.

Должно быть понятно, что настоящим изобретением предоставляется эффективный способ, позволяющий многочисленным операторам использовать фазированную антенную решетку, при этом угол наклона электрической оси антенного устройства может отличаться для каждого оператора и может регулироваться оператором на расстоянии и независимо. Кроме того, углы наклона электрической оси антенного устройства для каждого оператора могут различаться в режимах передачи и приема или могут быть сделаны совершенно одинаковыми.

Когда средство для регулирования угла наклона электрической оси антенны находится на достаточном расстоянии от антенного устройства и вследствие различного теплового удлинения или сокращения фидеров и, следовательно, изменений фаз сигналов в фидерах возникают проблемы, настоящим изобретением предоставляется эффективный способ и устройство для компенсации таких изменений фазы, так что угол наклона электрической оси антенны будет равным углу наклона электрической оси, необходимому каждому оператору.

Формула изобретения

1. Антенная система, предназначенная для использования при передаче и/или приеме, по меньшей мере, двух сигналов, при этом первый один из упомянутых сигналов формируется в частотном диапазоне первого оператора первым оператором (1760А), а второй один из упомянутых сигналов формируется в частотном диапазоне второго оператора вторым оператором (1760В), содержащая

антенное устройство (702), имеющее регулируемый угол наклона электрической оси и включающее в себя множество элементов (E1-En) антенны для излучения и/или приема упомянутых сигналов, причем элементы антенны установлены на держателе антенны и скомпонованы в виде, по меньшей мере, двух подрешеток (700А, 700В, 700С), при этом каждая подрешетка включает в себя один или несколько упомянутых элементов,

управляющее средство (750) для электрического регулирования фазы сигналов, излучаемых и/или принимаемых антенным устройством, для регулирования посредством этого угла наклона электрической оси антенного устройства; и

средство (730, 740) комбинирования для обеспечения возможности излучения и/или приема антенным устройством, по существу, одновременно первого одного из упомянутых сигналов при первом угле наклона электрической оси и второго одного из упомянутых сигналов при втором угле наклона электрической оси, при этом средство (730, 740) комбинирования выполнено таким образом, что сигналы, связанные с различными углами наклона электрической оси, проходят через совместно используемые элементы (E1-En) антенны.

2. Система по п.1, отличающаяся тем, что включает в себя первый и второй фидеры (756, 758) для подачи первого и второго сигналов первой поляризации на и с антенного устройства (702).

3. Система по п.2, отличающаяся тем, что дополнительно включает в себя третий и четвертый фидеры (1756, 1758) для подачи третьего и четвертого сигналов второй поляризации, противоположной по знаку первой поляризации, на и с антенного устройства (702).

4. Система по п.2 или 3, отличающаяся тем, что включает в себя не более четырех фидеров для подачи сигналов на и с антенного устройства (702).

5. Система по любому из пп.1-4, отличающаяся тем, что управляющее средство (750) выполнено с возможностью электрического регулирования фазы сигналов, подаваемых на, по меньшей мере, одну из подрешеток (700А, 700В, 700С) из места, удаленного от антенного устройства (702), для управления посредством этого углом наклона электрической оси антенного устройства.

6. Система по любому из пп.2-5, отличающаяся тем, что управляющее средство содержит множество устройств (750а, 750b) дифференциального регулирования фазы, при этом каждое устройство дифференциального регулирования фазы ассоциировано с соответствующим одним из упомянутых операторов (1760А-1760Е) антенной системы.

7. Система по п.6, отличающаяся тем, что каждое из устройств дифференциального регулирования фазы содержит первые и вторые субблоки (760а, 760b, 762a, 762b) дифференциального регулирования фазы, при этом первые субблоки (760а, 760b) дифференциального регулирования фазы выполнены с возможностью электрического регулирования фазы сигналов, подаваемых на них, для излучения антенным устройством, а вторые субблоки (762а, 762b) выполнены с возможностью электрического регулирования фазы сигналов, подаваемых на них, при этом упомянутые сигналы принимаются антенным устройством (702).

8. Система по любому из пп.2-7, отличающаяся тем, что средство комбинирования включает в себя первое и второе устройства (730, 740) комбинирования, при этом каждое устройство комбинирования включает в себя соответствующую схему (734, 744) объединения для режима передачи и соответствующую схему (736, 746) разветвления для режима приема, схема объединения для режима передачи имеет множество входов для подключения к передающему средству соответствующего множества операторов антенной системы, схема объединения для режима передачи выполнена с возможностью мультиплексирования сигналов, подаваемых на упомянутые входы с передающего средства, для вывода посредством этого одного мультиплексированного сигнала.

9. Система по п.8, отличающаяся тем, что схема (200, 744, 734) объединения для режима передачи включает в себя первый мультиплексор (222АВЕ) для режима передачи, выполненный с возможностью приема, по меньшей мере, двух сигналов, каждого от связанного с ним соответствующего передатчика (224А, 224В, 224С), и второй мультиплексор (222CD) для режима передачи, выполненный с возможностью приема, по меньшей мере, двух сигналов, каждого от связанного с ним соответствующего передатчика (224С, 224D), при этом каждый из первого и второго мультиплексоров для режима передачи снабжен группой (226А-Е) полосовых фильтров для фильтрации сигналов, получаемых от первого одного из связанных соответствующих передатчиков, с полосой пропускания, отделенной полосой задерживания от полосы пропускания этого или каждого другого из связанных соответствующих передатчиков.

10. Система по п.8 или 9, отличающаяся тем, что схема (736, 746) разветвления для режима приема имеет множество выходов для подключения к приемным средствам соответствующего множества операторов антенной системы, при этом схема разветвления для режима приема выполнена с возможностью разделения сигналов приема, принимаемых антенным устройством, для подачи посредством этого принимаемых сигналов на каждое из приемных средств.

11. Система по любому из пп.2-10, отличающаяся тем, что средство (730, 740) комбинирования выполнено с возможностью формирования выходных сигналов со скорректированной фазой одновременно для каждого из множества операторов (1760А-1760Е), при этом антенная система дополнительно содержит группу (716А-Н) разветвителей для приема выходных сигналов со скорректированной фазой и для разделения и распределения выходных сигналов со скорректированной фазой по элементам (E1-En) антенного устройства.

12. Система по п.11, отличающаяся тем, что группа (716А-Н) разветвителей выполнена с возможностью обеспечения распределения интенсивности сигналов со скорректированной фазой в виде, по существу, равномерного распределения.

13. Система по любому из пп.2-12, отличающаяся тем, что дополнительно содержит средство (900) фазовой компенсации для обеспечения сохранения разности фаз, вводимой в сигналы в фидерах (756, 758, 1756, 1758), по существу, постоянной между управляющим средством (750) и антенным устройством (702).

14. Система по п.13, отличающаяся тем, что средство фазовой компенсации включает в себя первое и второе смесительные устройства (902, 904), размещенные на противоположных концах первого и второго фидеров (756, 758, 1756, 1758).

15. Система по п.13, отличающаяся тем, что средство (1010, 1014) фазовой компенсации выполнено с возможностью оценки для множества частотных диапазонов операторов результата измерения разности фаз в тракте передачи, полученного на основании разности фаз сигналов, подаваемых на элементы (E1-En) антенны по тракту передачи, и включает в себя средство (960, 962; 1018, 1016) обратной связи для подачи назад результатов измерений разности фаз в тракте передачи на управляющее средство (750), при этом управляющее средство включает в себя средство для регулирования фазы сигналов, поступающих на первый и второй фидеры (756, 758), для каждого из частотных диапазонов операторов в зависимости от соответствующего результата измерения разности фаз в тракте передачи для обеспечения посредством этого компенсации различий в разности фаз в различных частотных диапазонах операторов.

16. Система по п.15, отличающаяся тем, что тракт передачи включает в себя первый и второй фидеры (756, 758) для подачи сигналов передачи со средства (730, 740) комбинирования на антенное устройство и первую и вторую соответствующие высокочастотные линии (720, 722), образующие часть антенного устройства, обеспечивающие средство соединения между первым и вторым фидерами (756, 758) и элементами (E1-En) антенны.

17. Система по п.15 или 16, отличающаяся тем, что содержит модуль (1010) векторного измерительного приемника в антенном устройстве (702), имеющий средства (1020, 1022) для выделения части сигналов, подаваемых на элементы (E1-En) антенны, и средства (1028, 1030) для объединения упомянутой выделенной части с сигналом задающего генератора, имеющим частоту, зависящую от выбранного частотного диапазона оператора, для определения посредством этого результата измерений разности фаз в тракте передачи для каждого частотного диапазона оператора.

18. Система по п.17, отличающаяся тем, что модуль (1010) векторного измерительного приемника включает в себя первый и второй фазовые компараторы (1036, 1038) для обеспечения возможности осуществления синфазных и квадратурных измерений разности фаз для определения посредством этого однозначного результата измерений разности фаз.

19. Система по любому из пп.13-18, отличающаяся тем, что средство (1010, 1014) фазовой компенсации выполнено с возможностью оценки для большого количества частотных диапазонов операторов результата измерения разности фаз в тракте приема, полученных на основании различия в разности фаз сигналов, принимаемых на элементах (E1-En) антенны и передаваемых по тракту приема к управляющему средству (750), а средство (960, 962; 1018, 1016) обратной связи выполнено с возможностью подачи результатов измерений разности фаз в тракте приема на управляющее средство (750), при этом управляющее средство включает в себя средства для регулирования фазы сигналов, подаваемых на первый и второй фидеры (756, 758), для каждого из частотных диапазонов операторов в зависимости от соответствующего результата измерения разности фаз в тракте приема для обеспечения посредством этого возможности компенсации различий в разности фаз в различных частотных диапазонах операторов.

20. Система по п.19, отличающаяся тем, что антенное устройство включает в себя генераторное средство (1610), предназначенное для формирования калибровочного сигнала тракта приема, который пропускается через тракт приема для выполнения измерения разности фаз в приемном тракте в дополнение к измерению разности фаз в тракте передачи.

21. Система по п.20, отличающаяся тем, что тракт приема включает в себя первый и второй фидеры (756, 758) и первую и вторую высокочастотные линии (720, 722) тракта передачи.

22. Система по п.20 или 21, отличающаяся тем, что генераторное средство выполнено в виде генератора (1612) тональных сигналов, предназначенного для формирования тонального сигнала, подлежащего пропусканию через тракт приема.

23. Система по п.22, отличающаяся тем, что для выделенного частотного диапазона оператора тональный сигнал имеет частоту, занимающую промежуточное положение между соседними частотными диапазонами операторов, при этом один из соседних частотных диапазонов оператора является выделенным частотным диапазоном оператора.

24. Система по п.22, отличающаяся тем, что для выделенного частотного диапазона оператора тональный сигнал находится в пределах выделенного частотного диапазона оператора.

25. Система по любому из пп.20-24, отличающаяся тем, что генераторное средство (1610) выполнено с возможностью формирования калибровочного сигнала для тракта приема в полосе частот около 200 Гц.

26. Система по п.1, отличающаяся тем, что управляющее средство выполнено с возможностью обеспечения управления углом наклона электрической оси антенного устройства таким образом, чтобы упомянутый угол наклона в режиме передачи отличался от упомянутого угла наклона в режиме приема.

27. Фазокомпенсатор (1010, 1014), предназначенный для использования множеством операторов в антенном устройстве, имеющем большое количество элементов (E1-En) антенны, при этом каждый оператор передает и/или принимает сигналы в пределах отличающегося частотного диапазона оператора, содержащий

управляющее средство (750) для электрического регулирования фазы сигналов, передаваемых и/или принимаемых антенным устройством, для регулирования посредством этого угла наклона электрической оси антенного устройства;

средство (1010, 1014, 1638) для измерения для множества частотных диапазонов операторов разности фаз в тракте передачи, полученной на основании различия в разности фаз сигналов, проходящих по тракту передачи, имеющему первый и второй фидеры (756, 758), к элементам (E1-En) антенны;

средство (1010, 1014, 1610, 1638) для измерения для множества частотных диапазонов операторов разности фаз в тракте приема, полученной на основании различия в разности фаз сигналов, подаваемых по тракту приема от элементов (E1-En) антенны до управляющего средства (750), и

средство (960, 962; 1018, 1016) обратной связи для подачи измеренных разностей фаз в трактах передачи и приема в управляющее средство (750), при этом управляющее средство включает в себя средство для регулирования фазы сигналов, подаваемых на элементы (E1-En) антенны для каждого частотного диапазона оператора в зависимости от измеренных разностей фаз в трактах передачи и приема для соответствующего частотного диапазона оператора.

28. Способ компенсации для антенного устройства, имеющего множество элементов (E1-En) антенны, при этом антенное устройство предназначено для использования множеством операторов, а каждый оператор передает и/или принимает сигналы в пределах отличающегося частотного диапазона оператора, включающий в себя

электрическое регулирование фазы сигналов, излучаемых и/или принимаемых антенным устройством, для регулирования посредством этого угла наклона электрической оси антенного устройства;

измерение для множества частотных диапазонов операторов разности фаз в тракте передачи, полученной на основании различия в разности фаз сигналов, проходящих по тракту передачи, имеющему первый и второй фидеры (756, 758), к элементам (E1-En) антенны;

измерение для множества частотных диапазонов операторов разности фаз в тракте приема, полученного на основании различия в разности фаз сигналов, проходящих по тракту приема, включающему в себя первый и второй фидеры (756, 758), от элементов (E1-En) антенны;

подачу измеренных разностей фаз в трактах передачи и приема в управляющее средство (750) и

регулирование фазы сигналов, подаваемых на элементы (E1-En) антенны, для каждого из частотных диапазонов операторов в зависимости от соответствующих измеренных разностей фаз в трактах передачи и приема для обеспечения посредством этого возможности компенсации различий в разностях фаз для различных частотных диапазонов операторов.

РИСУНКИ