RU2562756C1 - Scanning antenna array, basic station, wireless communication network and method for formation of directivity pattern - Google Patents
Scanning antenna array, basic station, wireless communication network and method for formation of directivity pattern Download PDFInfo
- Publication number
- RU2562756C1 RU2562756C1 RU2014110362/08A RU2014110362A RU2562756C1 RU 2562756 C1 RU2562756 C1 RU 2562756C1 RU 2014110362/08 A RU2014110362/08 A RU 2014110362/08A RU 2014110362 A RU2014110362 A RU 2014110362A RU 2562756 C1 RU2562756 C1 RU 2562756C1
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- antenna array
- antenna
- radiating elements
- phase
- fifty
- Prior art date
Links
Images
Classifications
-
- Y02B60/50—
Abstract
Description
Область техники, к которой относится изобретениеFIELD OF THE INVENTION
Настоящее изобретение относится к антенной технике, в частности к сканирующей антенной решетке, предназначенной для пространственного разделения каналов в сети беспроводной связи, базовой станции, сети беспроводной связи и способу формирования диаграммы направленности.The present invention relates to antenna technology, in particular to a scanning antenna array for spatial separation of channels in a wireless communication network, a base station, a wireless communication network, and a beamforming method.
Уровень техникиState of the art
В современных сетях мобильной связи наблюдается тенденция использования антенных решеток, содержащих множество излучающих элементов. Управляя фазой и амплитудой возбуждения на каждом излучающем элементе, можно динамически управлять направлением излучаемого луча и формой луча, излучаемого решеткой, или, иными словами, формировать многолучевую диаграмму направленности (ДН), что позволяет обеспечить многоканальный доступ к сети.In modern mobile communication networks, there is a tendency to use antenna arrays containing many radiating elements. By controlling the phase and amplitude of the excitation at each radiating element, it is possible to dynamically control the direction of the emitted beam and the shape of the beam emitted by the array, or, in other words, to form a multi-beam radiation pattern (DD), which allows for multi-channel access to the network.
Одним из типовых решений для многолучевого разделения каналов связи является так называемая «интеллектуальная» антенна (Smart Antenna), широко описанная в литературе, например, в “Antenna Theory analysis and design” third edition by Constantine A. Balanis, published by John Wiley & Sons, 2005, стр.949-954 (Л1). Типовой пример «интеллектуальной» антенны, известной из уровня техники, показан на фиг.4. Такая антенна состоит из набора активных приемопередающих элементов A1-An, которые в совокупности представляют собой единую антенную решетку. Процессор 25 базовой станции «интеллектуально» управляет приемом и передачей сигналов в такой решетке, за счет чего в сети мобильной связи обеспечивается большая емкость каналов, а также большая зона 26 покрытия. Однако сигнал в каждом из излучающих элементов формируется соответствующим радиочастотным приемопередатчиком 24, и соответственно, с ростом числа излучающих элементов растет число радиочастотных приемопередатчиков, что приводит к существенному усложнению системы связи, и в результате к ее удорожанию пропорционально количеству радиоканалов.One of the typical solutions for multipath separation of communication channels is the so-called “smart” antenna (Smart Antenna), which is widely described in the literature, for example, in the “Antenna Theory analysis and design” third edition by Constantine A. Balanis, published by John Wiley & Sons 2005, pp. 949-954 (L1). A typical example of an “intelligent” antenna known in the art is shown in FIG. Such an antenna consists of a set of active transceiver elements A 1 -A n , which together constitute a single antenna array. The
Из уровня техники известны так называемые адаптивные антенные решетки, в которых для формирования сигналов во всех излучающих элементах используется только один радиочастотный приемопередатчик. Один из вариантов такого решения описан, например, в “Elevation radiation pattern shaping and control in broadband base station antenna arrays” by M. Barba, J. E. Page, J. A. Encinar, J. R. Montejo, ETSI Telecomunicación, Ciudad Universitaria s/n 28040 Madrid, SPAIN, Universidad Politécnica de Madrid, 12-14 Oct. 2005 (Л2). В источнике информации Л2 представлены улучшенные (по частотному диапазону и диаграмме направленности) планарные антенные решетки, предназначенные для работы в составе базовых станций мобильной связи в диапазонах GSM и UMTS (1710-2170 МГц). Как показано на фиг.5, электронно-управляемая система формирования диаграммы направленности согласно Л2 образована при помощи применения радиочастотного делителя 29 мощности, имеющего весовые коэффициенты, позволяющие сформировать косекансную диаграмму направленности через излучающие элементы 27. Сигнал с делителя 29 передается на излучатели через переключаемые фазовращатели 28. Переключаемые фазовращатели 28 управляются по команде процессора базовой станции 31 через специальную шину 30 управления, что позволяет осуществлять управление диаграммой направленности. Как видно, с помощью такой конструкции можно формировать только один луч, что улучшает энергетическое отношение сигнала к шуму, но из-за невозможности формирования многолучевой диаграммы направленности такой антенной решетке присуща весьма ограниченная емкость канала. Кроме того, несмотря на упрощение системы связи за счет уменьшения числа радиочастотных приемопередатчиков, ради возможности управления диаграммы направленности в такой адаптивной антенной решетке приходится использовать переключаемые фазовращатели, которые для столь высоких частот также достаточно дороги и имеют сравнительно большие потери.The so-called adaptive antenna arrays are known in the art, in which only one radio frequency transceiver is used to generate signals in all radiating elements. One such solution is described, for example, in “Elevation radiation pattern shaping and control in broadband base station antenna arrays” by M. Barba, JE Page, JA Encinar, JR Montejo, ETSI Telecomunicación, Ciudad Universitaria s / n 28040 Madrid, SPAIN , Universidad Politécnica de Madrid, 12-14 Oct. 2005 (L2). The source of information L2 presents improved (in the frequency range and radiation pattern) planar antenna arrays designed to operate as part of mobile base stations in the GSM and UMTS bands (1710-2170 MHz). As shown in FIG. 5, an electronically controlled beamforming system according to L2 is formed by using a radio
Сущность изобретенияSUMMARY OF THE INVENTION
Задачей настоящего изобретения является упрощение конструкции базовой станции при сохранении высокого усиления антенной решетки и многолучевой диаграммы направленности без провалов в зоне обслуживания.The objective of the present invention is to simplify the design of the base station while maintaining a high gain antenna array and multi-beam pattern without dips in the service area.
Вышеуказанная задача решается с помощью уменьшения количества приемопередающих каналов связи и использования делителей мощности с фиксированными параметрами распределения амплитуды и фазы.The above problem is solved by reducing the number of transceiver communication channels and the use of power dividers with fixed parameters for the distribution of amplitude and phase.
В соответствии с одним аспектом настоящего изобретения предлагается сканирующая антенная решетка, в которой количество каналов питания существенно меньше количества излучающих элементов и больше или равно 2, при этом каждый канал имеет отдельный постоянный делитель мощности с фиксированными параметрами распределения амплитуды и фазы.In accordance with one aspect of the present invention, there is provided a scanning antenna array in which the number of power channels is substantially less than the number of radiating elements and greater than or equal to 2, with each channel having a separate constant power divider with fixed amplitude and phase distribution parameters.
Сканирование выполняется путем изменения фазы на входе по меньшей мере одного из делителей мощности.Scanning is performed by changing the phase at the input of at least one of the power dividers.
Весовые коэффициенты сконфигурированы так, чтобы в совокупности у антенной решетки формировалась косекансная диаграмма направленности.The weighting coefficients are configured so that in combination with the antenna array a cosecant radiation pattern is formed.
В одном варианте осуществления сканирующая антенная решетка исполнена на печатной плате.In one embodiment, the scanning antenna array is embodied on a printed circuit board.
В соответствии с другим аспектом настоящего изобретения предлагается базовая станция, содержащая вышеописанную антенную решетку.In accordance with another aspect of the present invention, there is provided a base station comprising the antenna array described above.
В соответствии с еще одним аспектом настоящего изобретения предлагается сеть беспроводной связи, содержащая такую базовую станцию.In accordance with yet another aspect of the present invention, there is provided a wireless communication network comprising such a base station.
В соответствии с дополнительным аспектом настоящего изобретения предлагается способ формирования диаграммы направленности, выполняемый в вышеописанной антенной решетке.In accordance with a further aspect of the present invention, there is provided a beamforming method performed in the antenna array described above.
Настоящее изобретение позволяет существенно упростить конструкцию базовой станции и за счет этого снизить ее себестоимость и повысить надежность.The present invention allows to significantly simplify the design of the base station and thereby reduce its cost and increase reliability.
Дополнительно обеспечивается снижение потерь и за счет этого повышается эффективность энергопотребления.Additionally, loss reduction is ensured and, as a result, energy efficiency is increased.
Кроме того, обеспечивается относительно большая емкость канала, высокое усиление, ДН без провалов в зоне обслуживания и большой угол сканирования.In addition, a relatively large channel capacitance, high gain, non-sagging DNs in the service area and a large scanning angle are provided.
Настоящее изобретение предлагает эффективный принцип формирования оптимальной диаграммы направленности антенной решетки при ограничениях по требованиям к минимальному усилению, равномерности зоны покрытия, а также лимитированного числа питающих фазированных каналов. Соответственно, настоящее изобретение позволяет модернизировать унаследованные базовые станции с малым количеством радиочастотных каналов путем простой замены антенны.The present invention offers an effective principle of forming an optimal antenna array radiation pattern with restrictions on the requirements for minimum amplification, uniformity of the coverage area, as well as a limited number of phased supply channels. Accordingly, the present invention makes it possible to upgrade legacy base stations with a small number of radio frequency channels by simply replacing the antenna.
Иными словами, техническим результатом является повышение эффективности сканирования и формирования многолучевой диаграммы направленности в антенной решетке уже при наличии двух радиопередающих трактов.In other words, the technical result is to increase the efficiency of scanning and the formation of a multi-beam radiation pattern in the antenna array even in the presence of two radio transmitting paths.
Вышеприведенное представляет собой краткую неограничивающую сущность задач, аспектов и преимуществ настоящего изобретения. Дополнительные признаки и преимущества настоящего изобретения станут понятны из нижеприведенного подробного описания изобретения.The above is a brief, non-limiting summary of the objectives, aspects, and advantages of the present invention. Additional features and advantages of the present invention will become apparent from the following detailed description of the invention.
Краткое описание чертежейBrief Description of the Drawings
Далее настоящее изобретение будет подробно описано со ссылками на прилагаемые чертежи, на которых:Further, the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings, in which:
Фиг.1 - иллюстрация базовой станции в сети беспроводной связи, содержащей антенную решетку, соответствующую настоящему изобретению.1 is an illustration of a base station in a wireless communication network comprising an antenna array according to the present invention.
Фиг.2a - изменение диаграммы направленности антенны, представленной в настоящем изобретении, с синфазным и равномерным по мощности распределением весовых коэффициентов.Figure 2a is a change in the radiation pattern of the antenna of the present invention with a common-mode and power-uniform distribution of weights.
Фиг.2b - изменение диаграммы направленности антенны, представленной в настоящем изобретении, с неравномерным распределением весовых коэффициентов.Fig.2b is a change in the radiation pattern of the antenna presented in the present invention, with an uneven distribution of weight coefficients.
Фиг.3 - пример оптимальной реализации антенной решетки.Figure 3 is an example of an optimal implementation of an antenna array.
Фиг.4 - блок-схема, иллюстрирующая основной принцип построения и работы типичной «интеллектуальной» антенны.4 is a block diagram illustrating the basic principle of construction and operation of a typical "smart" antenna.
Фиг.5 - блок-схема, иллюстрирующая основной принцип построения и работы типичной фазированной антенной решетки с управляемой косекансной диаграммой направленности.5 is a block diagram illustrating the basic principle of the construction and operation of a typical phased array antenna with a controlled cosecant radiation pattern.
Фиг.6a - пример применения антенной решетки согласно настоящему изобретению на практике.6a is an example of practical application of the antenna array according to the present invention.
Фиг.6b - результат моделирования, демонстрирующий соотношение усиления антенны и равномерность покрытия зоны обслуживания к расстоянию от базовой станции для обычной антенной решетки и антенны, предлагаемой в настоящем изобретении.Fig.6b is a simulation result showing the ratio of antenna gain and uniformity of coverage of the service area to the distance from the base station for the conventional antenna array and antenna of the present invention.
Фиг.7a - пример конструктивного исполнения антенной решетки согласно настоящему изобретению, состоящей из 72-х (8×9) печатных микрополосковых антенных излучающих элементов, в которой для сканирования в вертикальной плоскости применяется всего два канала управления, а вертикальный элемент линейной антенной решетки состоит из 2-х подрешеток с разным количеством излучающих элементов, 5 и 4.Fig. 7a is an example of a structural embodiment of an antenna array according to the present invention, consisting of 72 (8 × 9) printed microstrip antenna radiating elements, in which only two control channels are used for scanning in the vertical plane, and the vertical element of the linear antenna array consists of 2 sublattices with different numbers of radiating elements, 5 and 4.
Фиг.7b - результат симуляции диаграммы направленности в вертикальной плоскости антенны, предлагаемой в настоящем изобретении и изображенной на фиг.7а.Fig.7b is the result of the simulation of the radiation pattern in the vertical plane of the antenna proposed in the present invention and depicted in figa.
Подробное описаниеDetailed description
При разработке предлагаемой в изобретении сканирующей антенной решетки необходимо выполнение предварительного моделирования для определения ее параметров в зависимости от требуемых конечных характеристик антенны с применением хорошо известных существующих методов. Предварительное моделирование включает в себя следующие этапы.When developing the scanning antenna array proposed in the invention, preliminary modeling is necessary to determine its parameters depending on the required final characteristics of the antenna using well-known existing methods. Preliminary modeling includes the following steps.
В соответствии с требуемыми параметрами усиления антенны и формы диаграммы направленности, исходящими из требований покрытия определенной зоны обслуживания, определяется требуемое общее число N излучателей. При этом, как правило, чем выше необходимое усиление антенны, тем больше минимально требуемое общее число излучателей. С другой стороны, чем меньше излучателей, тем антенная решетка в целом проще и дешевле.In accordance with the required parameters of the antenna gain and the shape of the radiation pattern, based on the requirements of coverage of a certain service area, the required total number N of emitters is determined. Moreover, as a rule, the higher the required antenna gain, the greater the minimum required total number of emitters. On the other hand, the smaller the emitters, the antenna array as a whole is simpler and cheaper.
Затем на основании общего числа излучателей формируются антенные подрешетки, при этом число антенных подрешеток либо может быть минимально возможным для обеспечения требуемых параметров излучения (например, усиление, форма диаграммы направленности), либо может быть предварительно определенным (например, для случая с унаследованной базовой станцией, уже имеющей определенное количество радиочастотных каналов (групп) питания антенны). Как показано на примере фиг.1, из N излучателей могут быть сформированы две антенные подрешетки 1 и 2, каждая из которых содержит n излучателей. Например, n может составлять N/2, и тогда антенная подрешетка 1 содержит излучатели A11 ...A1n, а антенная подрешетка 2 содержит излучатели A21 ...A2n.Then, based on the total number of emitters, antenna sublattices are formed, while the number of antenna sublattices can either be the minimum possible to provide the required radiation parameters (for example, amplification, radiation pattern), or can be predefined (for example, for the case of an inherited base station, already having a certain number of radio frequency channels (groups) of antenna power). As shown in the example of FIG. 1, two
Далее выбирается подходящий тип излучающих элементов A11 ...A1n и A21 ...A2n антенной решетки для каждой из антенных подрешеток 1 и 2 в зависимости от требований к материалу и размерам антенны, к рабочей полосе частот, согласованию с питающей линией, к направленности, поляризации, углу и плоскости сканирования. Например, в качестве подходящего типа может быть выбран полосковый дипольный излучатель, излучатель типа Вивальди или другой излучающий элемент, известный специалисту в данной области техники. Предпочтительно, чтобы для всей антенной решетки выбирался один и тот же тип излучателя.Next, a suitable type of radiating elements A 11 ... A 1n and A 21 ... A 2n of the antenna array is selected for each of the
После этого производится оптимизация размера излучателя. Размер излучателя может быть обратно пропорционален рабочей частоте (или прямо пропорционален длине волны). Например, для случая с дипольным излучателем размер может составить примерно λ/2 с учетом укорочения в материале.After that, the size of the emitter is optimized. The size of the emitter can be inversely proportional to the operating frequency (or directly proportional to the wavelength). For example, in the case of a dipole radiator, the size can be approximately λ / 2, taking into account the shortening in the material.
Затем оптимизируется расположение выбранных излучающих элементов A11 ...A1n и A21 ...A2n антенной решетки как единой антенной решетки в зависимости от требуемой направленности, усиления, уровня боковых лепестков, поляризации, угла и плоскости сканирования.Then, the arrangement of the selected radiating elements A 11 ... A 1n and A 21 ... A 2n of the antenna array as a single antenna array is optimized depending on the desired directivity, gain, side lobe level, polarization, angle and scanning plane.
Наконец, исходя из требований к зоне покрытия и требований к характеристикам излучения и угла сканирования, выполняется определение и оптимизация весовых коэффициентов 3, 4 (W11-W1n и W21-W2n) распределения фазы и амплитуды каждого излучающего элемента каждой антенной подрешетки в зависимости от выбранного типа излучателя и его места в антенной решетке.Finally, based on the requirements for the coverage area and the requirements for the characteristics of the radiation and the scanning angle, we determine and optimize the
Проведенное таким образом предварительное моделирование позволяет получить антенную решетку, соответствующую изначально заданным требованиям к антенне. То есть антенная решетка выполняется из определенного числа подрешеток в сумме из N излучателей, имеющих определенные параметры, а делители мощности для питания антенных подрешеток выполняются с учетом определенных весовых коэффициентов.The preliminary modeling carried out in this way makes it possible to obtain an antenna array that meets the originally specified antenna requirements. That is, the antenna array is made of a certain number of sublattices in the sum of N emitters having certain parameters, and power dividers for powering the antenna sublattices are performed taking into account certain weighting factors.
Динамическое сканирование в антенной решетке, полученной с применением данного моделирования, осуществляется путем изменения амплитуды и фазы по меньшей мере в одном приемопередающем тракте на величину, которая либо определяется на этапе определения весовых коэффициентов, либо обусловлена возможностями имеющегося оборудования.Dynamic scanning in the antenna array obtained using this simulation is carried out by changing the amplitude and phase in at least one transceiver path by a value that is either determined at the stage of determining the weight coefficients, or due to the capabilities of existing equipment.
Базовая блок-схема, иллюстрирующая базовую станцию в сети беспроводной связи, содержащую антенную решетку, соответствующую настоящему изобретению, представлена на фиг.1.A basic block diagram illustrating a base station in a wireless communication network comprising an antenna array according to the present invention is shown in FIG.
Вся антенная решетка разделена на две абсолютно независимые антенные подрешетки 1 и 2 с относительно высоким собственным усилением, например ≥12 дБи.The entire antenna array is divided into two completely
Обе подрешетки 1 и 2 питаются независимо друг от друга при помощи делителей 5 и 6 мощности с учетом заранее определенных в результате моделирования весовых коэффициентов 3 и 4 по фазе и амплитуде для каждой подрешетки.Both
Радиочастотные тракты базовой станции аналогичны тем, что применяются и для «интеллектуальных» антенн, и должны быть известны специалистам в данной области техники, поэтому подробно не раскрываются в настоящем описании. Следует отметить, что с применением предлагаемой антенной решетки достаточно использовать всего 2 приемопередающих радиотракта. Возможно использование и большего количества приемопередающих радиотрактов, но за счет того, что их количество существенно меньше, чем общее количество излучающих элементов в антенной решетке (NRF ports<<NANTel), конструкция базовой станции с такой антенной значительно проще, чем при применении «интеллектуальных» антенн.The radio frequency paths of the base station are similar to those used for "smart" antennas, and should be known to specialists in this field of technology, therefore, are not disclosed in detail in the present description. It should be noted that with the use of the proposed antenna array, it is sufficient to use only 2 transceiver radio paths. You can use more transceiver radio paths, but due to the fact that their number is significantly less than the total number of radiating elements in the antenna array (N RF ports << N ANTel ), the design of a base station with such an antenna is much simpler than with " intelligent "antennas.
Оба делителя 5 и 6 мощности подключаются к двум независимым каналам приемопередатчиков, состоящим из радиомодулей 7, 8 и цифровых модуляторов 9 и 10 соответственно.Both
Динамическое сканирование в антенной решетке осуществляется путем изменения фазы по меньшей мере в одном приемопередающем тракте на предварительно определенную величину, как показано ранее.Dynamic scanning in the antenna array is carried out by changing the phase in at least one transceiver path by a predetermined value, as shown previously.
Вся цифровая базовая станция в целом управляется через единый процессорный модуль 11, а для калибровки излучаемого сигнала используется отдельный радиоканал 13, 14 с отдельно установленной внешней антенной 12.The entire digital base station as a whole is controlled through a single processor module 11, and a
При этом делители мощности согласно настоящему изобретению предлагается выполнять с применением неравномерного амплитудно-фазового распределения, так как при реализации делителей мощности в соответствии с традиционным подходом, основанным на равномерном амплитудно-фазовом распределении, может возникать проблема, которая заключается в том, что сканирование очень ограничено малым углом (фиг.2а), присутствует высокий уровень бокового лепестка, а диаграмма направленности при максимальном угле просто распадается на две части, имея при этом стабильные глубокие нули 17, что существенно уменьшает зону обслуживания.In this case, the power dividers according to the present invention are proposed to be performed using an uneven amplitude-phase distribution, since when implementing power dividers in accordance with the traditional approach based on uniform amplitude-phase distribution, a problem may arise that scan is very limited a small angle (figa), there is a high level of the side lobe, and the radiation pattern at the maximum angle simply splits into two parts, having at ohm stable
Луч, излучаемый по нормали 14 на фиг.2а, образуется при равномерном распределении весов по амплитуде и фазе. После смещения по фазе одной из подрешеток на 90 градусов луч отклоняется (15) всего на 5 градусов, а после смещения на 180 градусов получается максимальное отклонение (16) на 10 градусов, и при этом луч распадается надвое.A beam emitted along the normal 14 in FIG. 2a is formed when the weights are uniformly distributed in amplitude and phase. After a phase shift of one of the sublattices by 90 degrees, the beam is deflected (15) by only 5 degrees, and after a shift of 180 degrees, the maximum deviation (16) is obtained by 10 degrees, and the beam splits in two.
Для равномерного и подобных распределений амплитудно-фазовых весовых коэффициентов в цепи питания излучающих элементов можно добиться максимально возможного усиления антенной решетки, но при этом получается ограниченный угол сканирования, глубокие нули 17 в диаграмме направленности, и как показывает моделирование, это напрямую отражается на покрытии сигналом зоны обслуживания (поясняется далее применительно к фиг.6b).For uniform and similar distributions of amplitude-phase weight coefficients in the power supply circuit of the radiating elements, it is possible to achieve the maximum possible gain of the antenna array, but this results in a limited scanning angle,
С помощью надлежащего неравномерного распределения фаз и амплитуд излучателей возможно получение необходимой формы диаграммы направленности при различных углах сканирования. Следует отметить, что для антенн с малым усилением порядок распределения весовых коэффициентов не имеет большого значения, так как диаграмма направленности таких антенн широкая. Однако, чем выше необходимое усиление антенны, тем уже ее диаграмма направленности, что создает серьезную проблему для сканирования в больших углах с целью увеличения зоны покрытия, особенно при малом числе каналов питания.Using the proper uneven distribution of the phases and amplitudes of the emitters, it is possible to obtain the necessary radiation pattern at various scanning angles. It should be noted that for antennas with low gain, the order of distribution of the weight coefficients does not matter much, since the directivity pattern of such antennas is wide. However, the higher the required antenna gain, the narrower its radiation pattern, which creates a serious problem for scanning at large angles in order to increase the coverage area, especially with a small number of power channels.
Задача подбора весовых коэффициентов так, чтобы при малом числе каналов питания антенны (в целях упрощения конструкции) одновременно обеспечить и высокое усиление, и большую емкость канала, и диаграмму направленности без провалов в зоне обслуживания, и большой угол сканирования, не является тривиальной и требует значительных усилий при поиске оптимального решения.The task of selecting the weight coefficients so that with a small number of antenna supply channels (in order to simplify the design) simultaneously provide both high gain, a large channel capacity, a radiation pattern without dips in the service area, and a large scanning angle, is not trivial and requires significant efforts in finding the best solution.
Авторы изобретения выявили, что данную проблему можно решить, применив амплитудно-фазовое распределение, позволяющее получить косекансную или близкую к ней по форме диаграмму 18 направленности (см. фиг.2b) так, чтобы функция распределялась одновременно по двум подрешеткам.The inventors have found that this problem can be solved by applying the amplitude-phase distribution, which allows you to get cosecant or close in shape to the pattern 18 (see fig.2b) so that the function is distributed simultaneously on two sublattices.
Как образец для демонстрации эффекта от применения такого распределения, на фиг.2a и 2b приведены диаграммы направленности, полученные путем моделирования одной и той же антенной решетки, состоящей из восьми линейно установленных диполей, разделенных на 2 подрешетки по 4 диполя, но с двумя разными установками весовых коэффициентов на каждой из подрешеток. Как указано выше, сканирование при этом осуществляется путем изменения фазы в одной из антенных подрешеток.As a sample to demonstrate the effect of applying such a distribution, FIGS. 2a and 2b show radiation patterns obtained by simulating the same antenna array consisting of eight linearly mounted dipoles divided into 2 sublattices of 4 dipoles, but with two different settings weighting factors on each of the sublattices. As indicated above, scanning is carried out by changing the phase in one of the antenna sublattices.
Для приведенного выше примера антенной решетки из восьми элементов (2 подрешетки по 4) в одном варианте осуществления настоящего изобретения может применяться следующее распределение весов:For the above example of an array of eight elements (2 sub-arrays of 4 each), in one embodiment of the present invention, the following weight distribution can be applied:
Распределение весовых коэффициентов
для получения косекансной ДНTable 1
Weight distribution
for cosecant pattern
В приведенном примере управление осуществляется в подрешетке 1 по одному каналу путем изменения фазы в радиомодуле 7 на определенную величину.In the above example, control is carried out in the
Когда к исходной косекансной диаграмме 18 направленности, показанной на фиг.2b, добавляется сдвиг фазы в первую подрешетку на -150 градусов, диаграмма направленности изменяет форму и отклоняется влево (20), а при фазовом сдвиге +150 градусов - вправо (19).When a phase shift of −150 degrees is added to the first sublattice to the original
На фиг.3 представлен один из возможных вариантов осуществления конструкции антенной решетки согласно настоящему изобретению. Антенная решетка 21 напечатана на печатной плате. Антенная решетка 21 содержит две подрешетки, сформированные из восьми излучающих элементов, по четыре излучающих элемента в каждой подрешетке. Кроме того, антенная решетка 21 содержит два постоянных делителя 22 и 23 мощности, в которых реализовано указанное в таблице 1 амплитудно-фазовое распределение весовых коэффициентов 3 и 4. Фазовое распределение реализуется разной длиной питающих полосков, а амплитудное - неравномерными полосковыми делителями. На вход каждого из делителей 22 и 23 мощности поступает сигнал с соответствующего радиопередающего тракта базовой станции. При прохождении через делители 22 и 23 мощности принятый сигнал распределяется и подается на соответствующие излучающие элементы с требуемыми амплитудами и фазами, которые соответствуют вышеупомянутым предварительно определенным значениям. При этом у антенной решетки в целом формируется косекансная или близкая к косекансной диаграмма направленности.Figure 3 presents one of the possible embodiments of the design of the antenna array according to the present invention.
Когда по меньшей мере из одного приемопередающего тракта поступает сигнал со сдвигом фазы, диаграмма направленности поворачивается на некоторый угол, за счет чего выполняется сканирование.When a phase-shift signal arrives from at least one transceiver path, the radiation pattern is rotated by a certain angle, whereby a scan is performed.
В результате получается простая и дешевая конструкция с возможностью сканирования и требующая всего два управляемых канала питания.The result is a simple and cheap design with the ability to scan and requiring only two controllable power channels.
Таким образом, в настоящем изобретении предлагается разделить единую антенную решетку на две или более подрешеток и управлять ими по принципу «интеллектуальной» антенны для реализации многолучевой системы передачи информации. При этом, несмотря на общее сходство оборудования, раскрываемого в настоящем изобретении, с известными устройствами из предшествующего уровня техники, показанными на фиг.4 и 5, предлагаемая в настоящем изобретении антенная решетка позволяет упростить конструкцию базовой станции и при этом сохранить относительно большую емкость канала.Thus, in the present invention, it is proposed to divide a single antenna array into two or more sublattices and to control them according to the “smart” antenna principle for implementing a multi-beam information transmission system. At the same time, despite the general similarity of the equipment disclosed in the present invention with the known devices of the prior art shown in FIGS. 4 and 5, the antenna array proposed in the present invention simplifies the design of the base station while maintaining a relatively large channel capacity.
Можно отметить, что принцип сканирования согласно настоящему изобретению позволяет заменить традиционное сканирование луча реконфигурацией диаграммы направленности с перемещением главного лепестка и изменением ее ширины по уровню половинной мощности. При этом структура и конструкция базовой станции существенно упрощается и, соответственно, повышается ее надежность.It can be noted that the scanning principle according to the present invention makes it possible to replace conventional beam scanning by reconfiguring the radiation pattern with the main lobe moving and changing its width at half power level. Moreover, the structure and design of the base station is greatly simplified and, accordingly, its reliability is increased.
Также, как выяснили авторы изобретения, поскольку весовые коэффициенты по амплитуде и фазе при распределении согласно настоящему изобретению являются заранее фиксированными и разными, то можно не оптимизировать расстояния между различными парами элементов (что, в сущности, также является подстройкой амплитудно-фазового распределения, но в малых пределах), а можно лишь заложить соответствующие сдвиги амплитуды и фазы в делителях мощности, поэтому нет необходимости делать неэквидистантную антенную решетку, что дополнительно упрощает процесс разработки, а в ряде случаев и изготовления антенны.Also, as the inventors found, since the weight coefficients in amplitude and phase during the distribution according to the present invention are pre-fixed and different, it is possible not to optimize the distances between different pairs of elements (which, in essence, is also a fine tuning of the amplitude-phase distribution, but in small limits), but you can only lay the corresponding shifts of the amplitude and phase in the power dividers, so there is no need to make a non-equidistant antenna array, which further simplifies otsess development, and in some cases, the manufacture of the antenna.
Кроме того, согласно настоящему изобретению, нет необходимости использования большого числа переключаемых фазовращателей, которые для высоких частот достаточно дороги и имеют сравнительно большие потери. То есть обеспечивается снижение потерь и за счет этого повышается эффективность энергопотребления.In addition, according to the present invention, there is no need to use a large number of switchable phase shifters, which for high frequencies are quite expensive and have relatively large losses. That is, a reduction in losses is ensured and, as a result, energy efficiency is increased.
Более того, это позволяет существенно улучшить распределение многолучевого излучения по зоне обслуживания сети мобильной связи с использованием ограниченного числа радиоканалов связи (например, двух).Moreover, this can significantly improve the distribution of multipath radiation over the coverage area of a mobile communication network using a limited number of radio communication channels (for example, two).
Дополнительно настоящее изобретение позволяет модернизировать унаследованные базовые станции с малым количеством радиочастотных каналов путем простой замены антенны, улучшив за счет этого эффективность этих базовых станций.Additionally, the present invention allows to upgrade legacy base stations with a small number of radio frequency channels by simply replacing the antenna, thereby improving the efficiency of these base stations.
Как результат использования предлагаемого конструктивного решения с использованием, например, структуры базовой станции по фиг.1, зона обслуживания сети разделяется на 3-4 сектора, в которых возможно независимо обслуживать большее число абонентов.As a result of using the proposed constructive solution using, for example, the structure of the base station of FIG. 1, the network coverage area is divided into 3-4 sectors in which it is possible to independently serve a larger number of subscribers.
Антенную решетку согласно настоящему изобретению можно применять для формирования зон обслуживания как в вертикальной плоскости, так и в горизонтальной плоскости в зависимости от конструктивного исполнения антенной решетки. Наиболее предпочтительно применять ее для угломестного формирования лучей, как продемонстрировано на фиг.6а и 6b.The antenna array according to the present invention can be used to form service areas both in the vertical plane and in the horizontal plane, depending on the design of the antenna array. It is most preferable to use it for elevation beam formation, as shown in figa and 6b.
На фиг.6а показана типовая установка антенны базовой станции 32 на опорной мачте 33.6a shows a typical antenna installation of a
Вся зона обслуживания может быть разделена на три региона по углу места относительно поверхности земли: ближнюю 34, центральную 35 и дальнюю 36 зоны.The entire service area can be divided into three regions by elevation relative to the surface of the earth: near 34, central 35 and far 36 zones.
Результаты моделирования такой установки приведены на фиг.6b.The simulation results of such an installation are shown in Fig.6b.
Для моделирования были взяты следующие начальные условия:The following initial conditions were taken for simulation:
Высота мачты 25 мMast Height 25 m
Угол наклона антенны 10ºAntenna Tilt 10º
Суммарная мощность передатчиков в каналах PTX=40 дБмTotal transmitter power in channels P TX = 40 dBm
Усиление передающей антенны GBSA=10 дБиTransmitting antenna gain G BSA = 10 dBi
Диаграмма приемной антенны всенаправленнаяOmni Directional Antenna Chart
Распространение радиоволн осуществляется в свободном пространстве без препятствийPropagation of radio waves in free space without obstacles
На графике фиг.6b приведена мощность сигнала, принимаемого мобильным устройством в дБм в зависимости от расстояния до базовой станции. В среднем уровень принимаемого сигнала составляет примерно -30 - -40 дБм, но в случае с равномерным амплитудно-фазовым распределением весовых коэффициентов антенной решетки распределение 39 мощности в зависимости от расстояния получается очень неравномерное, особенно в ближней зоне 37, где принимаемый сигнал уменьшается более чем на 20 дБ.The graph of FIG. 6b shows the signal strength received by the mobile device in dBm depending on the distance to the base station. The average level of the received signal is approximately -30 - -40 dBm, but in the case of a uniform amplitude-phase distribution of the weight coefficients of the antenna array, the
При этом при применении антенной решетки, описанной в настоящем изобретении, распределение 38 мощности принимаемого сигнала в зависимости от расстояния становится, по существу, равномерным, что значительно улучшает работу сети связи.Moreover, when using the antenna array described in the present invention, the
Еще один характерный пример конструктивного исполнения антенной решетки согласно настоящему изобретению продемонстрирован на фиг.7a, а фиг.7b отображает результат симуляции изменения диаграммы направленности этой антенны в вертикальной плоскости. Позиция 40 на фиг.7b - это диаграмма направленности без дополнительных фазовых сдвигов между верхней и нижней подрешетками, позиция 41 отображает диаграмму направленности при сдвиге нижней подрешетки из четырех элементов по фазе относительно верхней на -100 градусов, а позиция 42 отображает диаграмму направленности при сдвиге верхней подрешетки относительно нижней на -160 градусов.Another characteristic example of the design of the antenna array according to the present invention is shown in Fig. 7a, and Fig. 7b displays the result of a simulation of a change in the antenna pattern in the vertical plane.
Планарная печатная антенная решетка, показанная на фиг.7a, состоит из 72-х печатных микрополосковых антенных излучающих элементов, поделенных между собой на 8 линейных блоков антенных подрешеток для формирования узких лучей в горизонтальной плоскости.The planar printed antenna array shown in Fig. 7a consists of 72 printed microstrip antenna radiating elements divided into 8 linear blocks of antenna sublattices to form narrow beams in the horizontal plane.
Антенные элементы в блоке выстроены в одну линию и имеют одинаковую поляризацию.The antenna elements in the block are aligned and have the same polarization.
Каждый такой антенный линейный блок состоит из двух несимметричных антенных подрешеток с пятью и четырьмя излучающими элементами.Each such linear antenna block consists of two asymmetric antenna sublattices with five and four radiating elements.
Для приведенного выше примера антенной решетки из девяти элементов (2 подрешетки по 5 и 4 соответственно) в данном варианте осуществления настоящего изобретения может применяться следующее распределение весов:For the above example of an antenna array of nine elements (2 sublattices of 5 and 4, respectively), in this embodiment of the present invention, the following distribution of weights can be applied:
Распределение весовых коэффициентов для получения косекансной ДН в линейной антенной решетке, состоящей из двух подрешеток с 5 и 4 элементами соответственноtable 2
Distribution of weighting coefficients for obtaining a cosecant pattern in a linear antenna array consisting of two sublattices with 5 and 4 elements, respectively
В приведенном примере управление осуществляется путем изменения фазы в канале питания одной из подрешеток относительно другой на определенную величину.In the above example, control is carried out by changing the phase in the power channel of one of the sublattices relative to the other by a certain amount.
Применение двух фазированных антенных подрешеток с различным количеством излучающих элементов и имеющих амплитудное и фазовое распределение весовых коэффициентов в соответствии с данным изобретением в одном антенном блоке позволяет дополнительно увеличить зону сканирования, а также снизить уровень излучения паразитного бокового лепестка.The use of two phased antenna sublattices with a different number of radiating elements and having an amplitude and phase distribution of weight coefficients in accordance with this invention in one antenna unit allows you to further increase the scanning area, as well as reduce the level of radiation of the parasitic side lobe.
Промышленная применимостьIndustrial applicability
Наилучшее применение настоящее изобретение может найти для антенн базовых станций 4-го и последующих поколений сетей мобильной связи, где используются технологии с множеством входов и множеством выходов (MIMO) или технологии формирования многолучевой связи по принципу «интеллектуальной» антенны.The present invention can find the best application for antennas of base stations of the 4th and subsequent generations of mobile communication networks, which use technologies with multiple inputs and multiple outputs (MIMO) or multi-beam generation technology based on the principle of "smart" antenna.
Claims (14)
M входов;
M подрешеток, сформированных последовательно из общего количества N излучающих элементов антенной решетки; и
M постоянных делителей мощности, каждый из которых соответствует отличающейся одной из M подрешеток и отличающемуся одному из M входов, и выполнен с возможностью
- приема сигнала с входа, соответствующего этому делителю мощности, и
- распределения и подачи принятого сигнала на излучающие элементы, содержащиеся в подрешетке, соответствующей этому делителю мощности, с амплитудами и фазами, которые соответствуют предварительно определенным весовым коэффициентам распределения амплитуды и фазы,
причем M является целым числом, большим или равным 2,
N является целым числом, большим, чем M,
весовые коэффициенты сконфигурированы так, чтобы в совокупности у антенной решетки формировалась косекансная или близкая к косекансной диаграмма направленности, и
вход по меньшей мере одного из делителей мощности дополнительно выполнен с возможностью приема сигнала с изменяющейся фазой.1. Antenna array containing:
M inputs
M sublattices formed sequentially from the total number N of radiating elements of the antenna array; and
M constant power dividers, each of which corresponds to a different one of M sublattices and a different one of M inputs, and is configured to
- receiving a signal from an input corresponding to this power divider, and
- distribution and supply of the received signal to the radiating elements contained in the sublattice corresponding to this power divider, with amplitudes and phases that correspond to predefined weight distribution coefficients of the amplitude and phase,
wherein M is an integer greater than or equal to 2,
N is an integer greater than M,
weight coefficients are configured so that in combination with the antenna array a cosecant or close to cosecant radiation pattern is formed, and
the input of at least one of the power dividers is further configured to receive a variable phase signal.
M равно 2,
N равно 8 и
весовые коэффициенты сконфигурированы в соответствии со
следующей таблицей:
где Wij - весовой коэффициент, соответствующий j-му излучающему элементу в i-й подрешетке.2. The antenna array according to claim 1, in which
M is 2
N is 8 and
weights are configured in accordance with
the following table:
where W ij is the weight coefficient corresponding to the j-th radiating element in the i-th sublattice.
M равно 2,
N равно 9 и
весовые коэффициенты сконфигурированы в соответствии со следующей таблицей:
M is 2
N is 9 and
weights are configured in accordance with the following table:
принимают сигнал в каждом из M делителей мощности антенной решетки с входа, соответствующего этому делителю мощности; и
распределяют и подают принятый сигнал посредством каждого из M делителей мощности антенной решетки на излучающие элементы, содержащиеся в подрешетке, соответствующей этому делителю мощности, с амплитудами и фазами, которые соответствуют предварительно определенным весовым коэффициентам распределения амплитуды и фазы,
причем M является целым числом, большим или равным 2,
N является целым числом, большим, чем M,
весовые коэффициенты сконфигурированы так, чтобы в совокупности у антенной решетки формировалась косекансная или близкая к косекансной диаграмма направленности, и
по меньшей мере в одном из делителей мощности принимают сигнал с изменяющейся фазой.9. A method of forming a radiation pattern of an antenna array containing M inputs, M sublattices formed sequentially from the total number N of radiating elements of the antenna array, and M constant power dividers, each of which corresponds to a different one of M sublattices and to a different one of M inputs, containing stages in which:
receiving a signal in each of the M power dividers of the antenna array from the input corresponding to this power divider; and
distributing and supplying the received signal through each of the M power dividers of the antenna array to the radiating elements contained in the sublattice corresponding to this power divider, with amplitudes and phases that correspond to predefined weight distribution coefficients of the amplitude and phase,
wherein M is an integer greater than or equal to 2,
N is an integer greater than M,
weight coefficients are configured so that in combination with the antenna array a cosecant or close to cosecant radiation pattern is formed, and
in at least one of the power dividers, a variable phase signal is received.
M равно 2,
N равно 8, и
весовые коэффициенты сконфигурированы в соответствии со следующей таблицей:
где Wij - весовой коэффициент, соответствующий j-му излучающему элементу в i-й подрешетке.10. The method according to p. 9, in which
M is 2
N is 8, and
weights are configured in accordance with the following table:
where W ij is the weight coefficient corresponding to the j-th radiating element in the i-th sublattice.
M равно 2,
N равно 9 и
весовые коэффициенты сконфигурированы в соответствии со следующей таблицей:
M is 2
N is 9 and
weights are configured in accordance with the following table:
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
RU2014110362/08A RU2562756C1 (en) | 2014-03-18 | 2014-03-18 | Scanning antenna array, basic station, wireless communication network and method for formation of directivity pattern |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
RU2014110362/08A RU2562756C1 (en) | 2014-03-18 | 2014-03-18 | Scanning antenna array, basic station, wireless communication network and method for formation of directivity pattern |
Publications (1)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
RU2562756C1 true RU2562756C1 (en) | 2015-09-10 |
Family
ID=54073791
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
RU2014110362/08A RU2562756C1 (en) | 2014-03-18 | 2014-03-18 | Scanning antenna array, basic station, wireless communication network and method for formation of directivity pattern |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
RU (1) | RU2562756C1 (en) |
Cited By (2)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
RU2634752C2 (en) * | 2016-02-01 | 2017-11-03 | Российская Федерация, от имени которой выступает Министерство обороны Российской Федерации | Scanning multi-frequency antenna array for generating sequence of uwb pulse signals in space with controlled pulse repetition frequency |
RU2647518C2 (en) * | 2016-03-23 | 2018-03-16 | Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Томский государственный университет систем управления и радиоэлектроники" (ТУСУР) | Method of forming beam pattern of receiving linear antenna array |
Citations (3)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
RU2208274C1 (en) * | 2001-12-11 | 2003-07-10 | Научно-исследовательский институт Приборостроения им. В.В. Тихомирова | Phased antenna array |
RU2365935C1 (en) * | 2008-02-20 | 2009-08-27 | Федеральное государственное унитарное предприятие "Государственный московский завод "Салют" | Device to shape and process signals for radar with frequency-sweep antenna array |
RU2507647C1 (en) * | 2012-08-03 | 2014-02-20 | Открытое акционерное общество "Корпорация "Фазотрон-Научно-исследовательский институт радиостроения" | Controlled beamwidth phased antenna array |
-
2014
- 2014-03-18 RU RU2014110362/08A patent/RU2562756C1/en active
Patent Citations (3)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
RU2208274C1 (en) * | 2001-12-11 | 2003-07-10 | Научно-исследовательский институт Приборостроения им. В.В. Тихомирова | Phased antenna array |
RU2365935C1 (en) * | 2008-02-20 | 2009-08-27 | Федеральное государственное унитарное предприятие "Государственный московский завод "Салют" | Device to shape and process signals for radar with frequency-sweep antenna array |
RU2507647C1 (en) * | 2012-08-03 | 2014-02-20 | Открытое акционерное общество "Корпорация "Фазотрон-Научно-исследовательский институт радиостроения" | Controlled beamwidth phased antenna array |
Cited By (2)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
RU2634752C2 (en) * | 2016-02-01 | 2017-11-03 | Российская Федерация, от имени которой выступает Министерство обороны Российской Федерации | Scanning multi-frequency antenna array for generating sequence of uwb pulse signals in space with controlled pulse repetition frequency |
RU2647518C2 (en) * | 2016-03-23 | 2018-03-16 | Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Томский государственный университет систем управления и радиоэлектроники" (ТУСУР) | Method of forming beam pattern of receiving linear antenna array |
Similar Documents
Publication | Publication Date | Title |
---|---|---|
US10804606B2 (en) | Broadband low-beam-coupling dual-beam phased array | |
US20230275634A1 (en) | Small cell beam-forming antennas | |
US6956537B2 (en) | Co-located antenna array for passive beam forming | |
CN108432088B (en) | Phased array antenna with sub-arrays | |
US11695222B2 (en) | Antenna aperture in phased array antenna systems | |
US20180145400A1 (en) | Antenna | |
CN106716714B (en) | Stadium antenna | |
US11742586B2 (en) | Lens-enhanced communication device | |
US11721910B2 (en) | Lens-enhanced communication device | |
US10931032B2 (en) | Split diamond antenna element for controlling azimuth pattern in different array configurations | |
JP7074772B2 (en) | Phased array antennas with switched elevation beam widths and related methods | |
CN210111047U (en) | Feed network for antenna and antenna | |
RU2562756C1 (en) | Scanning antenna array, basic station, wireless communication network and method for formation of directivity pattern | |
US20220311130A1 (en) | Antenna feed networks and related antennas and methods | |
Artemenko et al. | Multiple-feed integrated lens antenna with continuous scanning range | |
WO2019161096A1 (en) | Phased array antenna systems | |
CN218101693U (en) | Dual-polarized microstrip phased array antenna | |
US20230163462A1 (en) | Antenna device with improved radiation directivity | |
KR102428139B1 (en) | Uniform circular array antenna for milimeter wave | |
KR20120086840A (en) | Base station antenna structure having dual-band dipole element array |