RU2741278C1

RU2741278C1 - Annular phased antenna array

Info

Publication number: RU2741278C1
Application number: RU2020110081A
Authority: RU
Inventors: Герман Олегович Бокк; Александр Олегович Шорин; Василий Анатольевич Торопин; Владимир Петрович Чернышев
Original assignee: Акционерное Общество "Национальный институт радио и инфокоммуникационных технологий" (АО "НИРИТ")
Priority date: 2020-01-14
Filing date: 2020-01-14
Publication date: 2021-01-22

Abstract

FIELD: physics.

SUBSTANCE: invention relates to radio engineering, particularly to antenna arrays. Antenna grid comprises first and second identical ring levels, on collinear radii of which there are six identical antenna elements with identical angular pitch relative to central axis, as well as the third ring level located under the first two, on which there are four identical antenna elements with angular separation relative to each other 60° ± 2°, 120° ± 2°, 60° ± 2°, 120° ± 2°, respectively, control unit and power dividers, wherein all antenna elements are made in form of vertical vibrators, and annular levels are arranged on tower at heights of 293.3 ± 0.5 m, 285.2 + 0.5 m and 280.5 ± 0.5 m, respectively. Control unit includes phase changers and power amplifiers. In the operating mode in the frequency range of 330–350 MHz, the relative phase shift of the transmitted signals of the antenna elements - the second ring level relative to the broadcast signals of the antenna elements of the first ring level is 292° ± 2°, and relative phase shift of transmitted signals of antenna elements of third ring level relative to translated signals of antenna elements of first circular level is 228° ± 2°.

EFFECT: technical result is an increase in the coverage area of the antenna array.

1 cl, 3 dwg

Description

Изобретение относится к области радиотехники и может быть использовано для работы на высоких башнях, например, на Останкинской башне, в качестве антенны базовой станции сотовой связи стандарта McWILL.The invention relates to the field of radio engineering and can be used to operate on high towers, for example, on the Ostankino tower, as an antenna for a base station of cellular communication of the McWILL standard.

Известна антенная система для установки на поясе башни [1], содержащая систему распределения мощности и излучатели, расположенные вокруг пояса башни, с образованием центрами излучателей ряда разнесенных вдоль оси пояса и слегка наклоненных относительно поверхности Земли ячеек. Недостатком известного устройства для использования в зонтичных сотах является недостаточно большая территория покрытия.Known antenna system for installation on the belt of the tower [1], containing a power distribution system and emitters located around the belt of the tower, with the formation of the centers of the emitters of a number of cells spaced along the axis of the belt and slightly inclined relative to the Earth's surface. The disadvantage of the known device for use in umbrella cells is the insufficiently large coverage area.

Наиболее близким техническим решением к предлагаемому является кольцевая фазированная антенная решетка, содержащая первый кольцевой уровень, на коллинеарных радиусах которого размещены N идентичных антенных элементов с одинаковым угловым шагом относительно центральной оси [2]. Устройство также включает N идентичных антенных элементов, размещенных вдоль внутренней окружности кольцевого уровня, при этом радиус внутренней окружности выбирается равным 0.19λ, а радиус внешней - 0.44λ, где λ - максимальная длина волны рабочего диапазона антенны. Недостатком известного устройства для использования в зонтичных сотах является недостаточно большая территория покрытия.The closest technical solution to the proposed one is an annular phased antenna array containing the first annular level, on the collinear radii of which N identical antenna elements are located with the same angular step relative to the central axis [2]. The device also includes N identical antenna elements located along the inner circumference of the annular level, with the radius of the inner circle being chosen equal to 0.19λ, and the radius of the outer one being 0.44λ, where λ is the maximum wavelength of the antenna operating range. The disadvantage of the known device for use in umbrella cells is the insufficiently large coverage area.

Техническим результатом заявляемого изобретения является увеличение площади зоны покрытия антенной решетки, позволяющее эффективно использовать ее в зонтичных сотах.The technical result of the claimed invention is to increase the area of the coverage area of the antenna array, which allows it to be effectively used in umbrella cells.

Технический результат достигается тем, что кольцевая фазированная антенная решетка, содержащая первый кольцевой уровень, на коллинеарных радиусах которого размещены N идентичных антенных элементов с одинаковым угловым шагом относительно центральной оси, согласно изобретению, содержит второй кольцевой уровень, идентичный первому, при N=6, а также третий, размещенный под первыми двумя, кольцевой уровень, на котором размещено четыре идентичных антенных элемента с угловым разносом относительно друг друга 60°±2°, 120°±2°, 60°±2°, 120°±2°, соответственно, и блок управления, при этом все антенные элементы выполнены в виде вертикальных вибраторов, кольцевые уровни размещены на башне на высотах 293.3±0.5 м, 285.2±0.5 м и 280.5±0.5 м, соответственно, а блок управления содержит восемь фазовращателей и восемь усилителей мощности, причем выходы фазовращателей соединены со входами соответствующих усилителей мощности, выходы которых подключены ко входам соответствующих делителей мощности, снабженных двумя выходами, каждый из которых соединен с одним из антенных элементов, расположенных на коллинеарных радиусах соответствующего кольцевого уровня, при этом в режиме работы в диапазоне частот 330-350 МГц относительный сдвиг фазы транслируемых сигналов антенных элементов второго кольцевого уровня относительно транслируемых сигналов антенных элементов первого кольцевого уровня составляет 292°±2°, а относительный сдвиг фазы транслируемых сигналов антенных элементов третьего кольцевого уровня относительно транслируемых сигналов антенных элементов первого кольцевого уровня составляет 228°±2°.The technical result is achieved by the fact that the annular phased antenna array containing the first annular level, on the collinear radii of which N identical antenna elements with the same angular pitch relative to the central axis are located, according to the invention, contains a second annular level identical to the first, with N = 6, and also the third, located under the first two, an annular level, on which four identical antenna elements are located with an angular separation of 60 ° ± 2 °, 120 ° ± 2 °, 60 ° ± 2 °, 120 ° ± 2 °, respectively, and a control unit, while all antenna elements are made in the form of vertical vibrators, ring levels are placed on the tower at heights of 293.3 ± 0.5 m, 285.2 ± 0.5 m, and 280.5 ± 0.5 m, respectively, and the control unit contains eight phase shifters and eight power amplifiers, moreover, the outputs of the phase shifters are connected to the inputs of the corresponding power amplifiers, the outputs of which are connected to the inputs of the corresponding power dividers equipped with two outputs, each of which is connected to one of the antenna elements located at collinear radii of the corresponding annular level, while in the operating mode in the frequency range 330-350 MHz, the relative phase shift of the transmitted signals of the antenna elements of the second annular level relative to the transmitted signals of the antenna elements of the first annular level is 292 ° ± 2 °, and the relative phase shift of the transmitted signals of the antenna elements of the third ring level relative to the transmitted signals of the antenna elements of the first ring level is 228 ° ± 2 °.

На Фиг. 1 схематически изображена кольцевая фазированная антенная решетка, на Фиг. 2 представлен вид сверху первого и второго кольцевых уровней, а на Фиг. 3 - вид сверху третьего кольцевого уровня.FIG. 1 schematically depicts an annular phased antenna array, FIG. 2 is a top view of the first and second annular levels, and FIG. 3 is a top view of the third annular level.

Кольцевая фазированная антенная решетка, содержит первый и второй кольцевые уровни, на коллинеарных радиусах каждого из которых размещено с одинаковым угловым шагом относительно центральной оси шесть идентичных антенных элементов 1.1-1.6 и 2.1-2.6, соответственно. На третьем кольцевом уровне, размещенном под первыми двумя, на коллинеарных радиусах установлено четыре идентичных антенных элемента 3.1-3.4 с угловым разносом относительно друг друга 60°±2°, 120°±2°, 60°±2°, 120°±2°, соответственно. Первый, второй и третий кольцевые уровни размещены, на башне, например, Останкинской, на высотах 293.3±0.5 м, 285.2±0.5 м и 280.5±0.5 м, соответственно. Все антенные элементы выполнены в виде вертикальных вибраторов и каждый из них в азимутальной плоскости имеет максимум диаграммы в направлении, задаваемом лучом от центра кольцевого уровня, которому принадлежит антенный элемент, к его оптическому центру.The annular phased antenna array contains the first and second annular levels, at collinear radii of each of which six identical antenna elements 1.1-1.6 and 2.1-2.6 are placed with the same angular pitch relative to the central axis, respectively. On the third ring level, located under the first two, four identical antenna elements 3.1-3.4 are installed at collinear radii with an angular separation of 60 ° ± 2 °, 120 ° ± 2 °, 60 ° ± 2 °, 120 ° ± 2 ° relative to each other , respectively. The first, second and third ring levels are located on the tower, for example, Ostankinskaya, at heights of 293.3 ± 0.5 m, 285.2 ± 0.5 m and 280.5 ± 0.5 m, respectively. All antenna elements are made in the form of vertical vibrators, and each of them in the azimuthal plane has a maximum diagram in the direction specified by the beam from the center of the annular level to which the antenna element belongs to its optical center.

Устройство также содержит блок 4 управления, включающий фазовращатели 5.1-5.8 и усилители мощности 6.1-6.8, причем выходы фазовращателей соединены со входами соответствующих усилителей мощности, выходы которых подключены ко входам соответствующих делителей мощности 7.1-7.8, снабженных двумя выходами, каждый из которых соединен с соответствующим антенным элементом, а именно выходы первого делителя мощности 7.1 подключены к антенным элементам 1.1 и 1.2, выходы второго делителя мощности 7.2 подключены к антенным элементам 1.3 и 1.4, а выходы третьего делителя мощности 7.3 подключены к антенным элементам 1.5 и 1.6, при этом пары антенных элементов 1.1 и 1.2, 1.3 и 1.4, 1.5 и 1.6 расположены на коллинеарных радиусах первого кольцевого уровня. Выходы четвертого делителя мощности 7.4 подключены к антенным элементам 2.1 и 2.2, выходы пятого делителя мощности 7.5 подключены к антенным элементам 2.3 и 2.4, а выходы шестого делителя мощности 7.6 подключены к антенным элементам 2.5 и 2.6, при этом пары антенных элементов 2.1 и 2.2, 2.3 и 2.4, 2.5 и 2.6 расположены на коллинеарных радиусах второго кольцевого уровня. Выходы седьмого делителя мощности 7.7 подключены к антенным элементам 3.1 и 3.2, а выходы восьмого делителя мощности 7.8 подключены к антенным элементам 3.3 и 3.4, при этом пары антенных элементов 3.1 и 3.2, 3.3 и 3.4, расположены на коллинеарных радиусах третьего кольцевого уровня.The device also contains a control unit 4, which includes phase shifters 5.1-5.8 and power amplifiers 6.1-6.8, and the outputs of the phase shifters are connected to the inputs of the corresponding power amplifiers, the outputs of which are connected to the inputs of the corresponding power dividers 7.1-7.8, equipped with two outputs, each of which is connected to the corresponding antenna element, namely the outputs of the first power divider 7.1 are connected to the antenna elements 1.1 and 1.2, the outputs of the second power divider 7.2 are connected to the antenna elements 1.3 and 1.4, and the outputs of the third power divider 7.3 are connected to the antenna elements 1.5 and 1.6, while the pairs of antenna elements 1.1 and 1.2, 1.3 and 1.4, 1.5 and 1.6 are located at the collinear radii of the first ring level. The outputs of the fourth power divider 7.4 are connected to antenna elements 2.1 and 2.2, the outputs of the fifth power divider 7.5 are connected to antenna elements 2.3 and 2.4, and the outputs of the sixth power divider 7.6 are connected to antenna elements 2.5 and 2.6, while the pairs of antenna elements 2.1 and 2.2, 2.3 and 2.4, 2.5 and 2.6 are located at the collinear radii of the second annular level. The outputs of the seventh power divider 7.7 are connected to antenna elements 3.1 and 3.2, and the outputs of the eighth power divider 7.8 are connected to antenna elements 3.3 and 3.4, while the pairs of antenna elements 3.1 and 3.2, 3.3 and 3.4 are located at collinear radii of the third annular level.

В режиме работы в диапазоне частот 330-350 МГц относительный сдвиг фазы транслируемых сигналов антенных элементов второго кольцевого уровня относительно транслируемых сигналов антенных элементов первого кольцевого уровня составляет 292°±2°, а относительный сдвиг фазы транслируемых сигналов антенных элементов третьего кольцевого уровня относительно транслируемых сигналов антенных элементов первого кольцевого уровня составляет 228°±2°.In the operating mode in the frequency range of 330-350 MHz, the relative phase shift of the transmitted signals of the antenna elements of the second ring level relative to the transmitted signals of the antenna elements of the first ring level is 292 ° ± 2 °, and the relative phase shift of the transmitted signals of the antenna elements of the third ring level relative to the transmitted signals of the antenna elements of the first annular level is 228 ° ± 2 °.

Устройство работает следующим образом.The device works as follows.

На базовой станции системы подвижной радиосвязи McWILL формируется широковещательный сигнал управления, который дублируется на 8 идентичных копий, подаваемых на входы фазовращателей 5.1-5.8 блока 4 управления, в котором соответствующая копия широковещательного сигнала управления сдвигается по фазе, после чего усиливается в усилителе мощности 6.1-6.8. Фазовращатели могут быть выполнены, например, как описано в [3], а усилители мощности по двухтактной схеме, как описано в [4]. В результате получается восемь усиленных широковещательных сигналов управления, обладающих сдвигами фаз. С выходов усилителей мощности 6.1-6.8 широковещательные сигналы управления подаются на входы соответствующих делителей мощности 7.1-7.8, на двух выходах каждого из которых формируются равномощные копии соответствующего широковещательного сигнала управления, обладающего заданным сдвигом фазы. Каждая сформированная копия из пары равномощных широковещательных сигналов управления подается на вход соответствующего антенного элемента, причем антенные элементы, отвечающие за трансляцию пары равномощных широковещательных сигналов управления, принадлежат одному кольцевому уровню и расположены в нем на коллинеарных радиусах. Фазы в фазовращателях подбираются так, чтобы сформировать в вертикальном сечении такую диаграмму направленности, которая, с учетом поляризации антенн абонентских станций, обеспечит максимальную площадь зоны покрытия для заданного уровня мощности широковещательного сигнала на приеме. Например, для системы подвижной радиосвязи McWILL гарантированное качество работы обеспечивается при условии уровня широковещательного сигнала управления на приеме не ниже -75 дБм. Так как все антенные элементы выполнены в виде вертикальных вибраторов, поляризация принимаемого абонентами сигнала является вертикальной. Именно для таких условий для трехкольцевой антенной системы, расположенной на башне, например, Останкинской, при технически предельном значении мощности сигналов на выходах усилителей мощности 7.1-7.8, составляющей 2 Вт, что соответствует стандарту McWILL, в режиме работы в диапазоне частот 330-350 МГц, также соответствующему стандарту McWILL, сдвиги фаз, равные 0°±2°, в фазовращателях 5.1-5.3, отвечающих первому кольцевому уровню, сдвиги фаз, равные 292°±2, в фазовращателях 5.4-5.6, отвечающих второму кольцевому уровню, и сдвиги фаз, равные 228°±2°, в фазовращателях 5.7-5.8, отвечающих третьему кольцевому уровню, обеспечивают максимальную площадь зоны покрытия широковещательным сигналом управления.At the base station of the McWILL mobile radio system, a broadcast control signal is generated, which is duplicated into 8 identical copies fed to the inputs of the phase shifters 5.1-5.8 of the control unit 4, in which the corresponding copy of the broadcast control signal is phase-shifted, and then amplified in a power amplifier 6.1-6.8 ... The phase shifters can be made, for example, as described in [3], and the power amplifiers in a push-pull circuit, as described in [4]. The result is eight amplified broadcast control signals having phase offsets. From the outputs of the power amplifiers 6.1-6.8 broadcast control signals are fed to the inputs of the corresponding power dividers 7.1-7.8, at two outputs of each of which equal-power copies of the corresponding broadcast control signal are formed, having a given phase shift. Each generated copy of a pair of equally powerful broadcast control signals is fed to the input of the corresponding antenna element, and the antenna elements responsible for the transmission of a pair of equally powerful broadcast control signals belong to the same ring layer and are located in it at collinear radii. The phases in the phase shifters are selected so as to form in the vertical section such a directional pattern, which, taking into account the polarization of the antennas of the subscriber stations, will provide the maximum coverage area for a given level of broadcast signal power at reception. For example, for the McWILL mobile radio communication system, guaranteed quality of work is provided provided that the broadcast control signal at the reception is not lower than -75 dBm. Since all antenna elements are made in the form of vertical vibrators, the polarization of the signal received by the subscribers is vertical. It is for such conditions for a three-ring antenna system located on a tower, for example, Ostankino, with the technical limit value of the signal power at the outputs of the power amplifiers 7.1-7.8, which is 2 W, which corresponds to the McWILL standard, in the operating mode in the frequency range 330-350 MHz , also complying with the McWILL standard, phase shifts equal to 0 ° ± 2 ° in phase shifters 5.1-5.3, corresponding to the first ring level, phase shifts equal to 292 ° ± 2, in phase shifters 5.4-5.6, corresponding to the second ring level, and phase shifts equal to 228 ° ± 2 °, in phase shifters 5.7-5.8, corresponding to the third ring level, provide the maximum coverage area of the broadcast control signal.

В описанном случае для антенной решетки на Останкинской башне зона покрытия достигает 586.651 км², что в пересчете на радиус сплошного кругового покрытия эквивалентно дистанции 19.33 км. Точности установки фаз в пределах ±2° гарантируют границу возможного сокращения площади покрытия не более чем на 0.8%. Если же точность установки фаз будет ±3°, то указанная площадь покрытия может сократиться на 1.1%. А в случае точности установки фазы ±5° сокращение площади покрытия может достигать 20.4%.In the described case, for the antenna array at the Ostankino tower, the coverage area reaches 586.651 km ² , which in terms of the radius of the continuous circular coverage is equivalent to a distance of 19.33 km. Phase setting accuracy within ± 2 ° guarantees the limit of possible reduction of the coverage area by no more than 0.8%. If the phase positioning accuracy is ± 3 °, then the indicated coverage area can be reduced by 1.1%. And in the case of phase adjustment accuracy of ± 5 °, the reduction in the coverage area can reach 20.4%.

Проведенный сравнительный анализ показал, что технический результат достигается тем, что что благодаря введению двух дополнительных кольцевых уровней антенной системы и настройке фазовых сдвигов широковещательных сигналов управления, транслируемых антеннами каждого из указанных уровней, удается увеличить площадь зоны сигнального покрытия более чем в два раза по сравнению со случаем использования на башне, например, Останкинской, антенной системы [2], являющейся прототипом, а значит эффективно использовать ее в зонтичных сотах.The comparative analysis showed that the technical result is achieved by the fact that due to the introduction of two additional ring levels of the antenna system and the adjustment of the phase shifts of the broadcast control signals broadcast by the antennas of each of these levels, it is possible to increase the area of the signal coverage area by more than two times compared to the case of using on the tower, for example, Ostankino, antenna system [2], which is a prototype, and therefore effectively use it in umbrella cells.

Источники информации, принятые во внимание:Sources of information taken into account:

[1] Патент №2121738 МПК H01Q 3/00, 04.03.1997.[1] Patent No. 2121738 IPC H01Q 3/00, 04.03.1997.

[2] Патент №141252 МПК H01Q 21/06, 09.01.2014.[2] Patent No. 141252 IPC H01Q 21/06, 09.01.2014.

[3] Патент №127554, МПК НВО3В 27/00, 07.09.2012.[3] Patent No. 127554, IPC HBO3V 27/00, 07.09.2012.

[4] Радиопередающие устройства. Учебник для вузов / В.В. Шахгильдян, В.Б. Козырев, А.А. Ляховкин и др., под ред. В.В. Шахгильдяна. - 2-е изд., - М., Радио и связь, 1990 - 432 с., с. 147-150.[4] Radio transmitting devices. Textbook for universities / V.V. Shahgildyan, V.B. Kozyrev, A.A. Lyakhovkin et al., Ed. V.V. Shahgildyan. - 2nd ed., - M., Radio and communication, 1990 - 432 p., P. 147-150.

Claims

An annular phased antenna array containing the first annular level, on the collinear radii of which N identical antenna elements are located with the same angular pitch relative to the central axis, characterized in that it contains a second annular level identical to the first one at N = 6, as well as a third one located under the first two, an annular level, on which four identical antenna elements are located with an angular separation relative to each other of 60 ° ± 2 °, 120 ° ± 2 °, 60 ° ± 2 °, 120 ° ± 2 °, respectively, and the control unit, when all antenna elements are made in the form of vertical vibrators, ring levels are placed on the tower at heights of 293.3 ± 0.5 m, 285.2 ± 0.5 m and 280.5 ± 0.5 m, respectively, and the control unit contains eight phase shifters and eight power amplifiers, and the outputs of the phase shifters are connected to the inputs of the corresponding power amplifiers, the outputs of which are connected to the inputs of the corresponding power dividers, equipped with two outputs, each of which is connected with one of the antenna elements located at the collinear radii of the corresponding ring level, while in the operating mode in the frequency range 330-350 MHz, the relative phase shift of the transmitted signals of the antenna elements of the second ring level relative to the transmitted signals of the antenna elements of the first ring level is 292 ° ± 2 ° , and the relative phase shift of the transmitted signals of the antenna elements of the third annular level relative to the transmitted signals of the antenna elements of the first annular level is 228 ° ± 2 °.