Система фазированной антенной решетки с регулируемым электрическим наклоном

Система фазированной антенной решетки с регулируемым электрическим наклоном

Иллюстрации

Показать все

Реферат

Изобретение относится к системе фазированной антенной решетки с регулируемым электрическим наклоном. Эта система пригодна для использования во многих областях телекоммуникаций, но находит конкретное приложение в сотовых сетях мобильной радиосвязи, обычно называемых сетями мобильной телефонной связи. Более конкретно - но не в ограничительном смысле - система антенны согласно изобретению может быть использована совместно с сетями мобильной телефонной связи второго поколения (2G-сетями), например, совместно с Глобальной системой мобильной связи (GSM), и сетями мобильной телефонной связи третьего поколения (3G-сетями), например, совместно с Универсальной мобильной телекоммуникационной системой (UMTS).

Операторы сотовых сетей мобильной радиосвязи в общем случае пользуются своими базовыми станциями, каждая из которых имеет, по меньшей мере, одну антенну. В сотовых сетях мобильной радиосвязи антенны являются основополагающим фактором при определении зоны обслуживания, в которой может иметь место связь с базовой станцией. Зона обслуживания обычно разделена на некоторое количество перекрывающихся ячеек, каждая из которых связана с соответствующей антенной и базовой станцией. Эти ячейки в общем случае также разделены на сектора для улучшения покрытия связью.

Антенна каждого сектора соединена с базовой станцией для осуществления радиосвязи со всеми мобильными радиостанциями в этом секторе. Базовые станции взаимосвязаны с помощью других средств связи, обычно - двухточечных линий радиосвязи или фиксированных наземных линий связи, что позволяет мобильным радиостанциям по всей области покрытия ячейки осуществлять связь друг с другом, а также с телефонной сетью общего пользования, которая находится вне сотовой сети мобильной радиосвязи.

Известны сотовые сети мобильной радиосвязи, использующие фазированные антенные решетки. Такая антенна содержит решетку (обычно из восьми или более) отдельных антенных элементов, таких, как вибраторы и микрополосковые элементы. Антенна имеет диаграмму направленности, состоящую из главного лепестка и боковых лепестков. Центр главного лепестка определяет направление максимальной чувствительности антенны, т.е. направление основного луча. Хорошо известное свойство фазированной антенной решетки заключается в том, что если сигналы, принимаемые антенными элементами, задерживаются на величину задержки, которая линейно изменяется с расстоянием от края решетки, то основной луч управляется так, что он поворачивается в направлении увеличения задержки. Угол между центрами основного луча, соответствующими нулевому и ненулевому изменениям задержки, т.е. угол управления положением, зависит от скорости изменения задержки с изменением расстояния вдоль антенной решетки.

Точно так же, задержку можно реализовать путем изменения фазы сигнала, откуда и пошло выражение «фазированная антенная решетка». Следовательно, основной луч диаграммы направленности антенны можно изменять путем регулирования соотношения фаз между сигналами, подаваемыми на разные антенные элементы. Это позволяет осуществлять управление лучом для изменения зоны покрытия антенны.

Операторы фазированных антенных решеток в сотовых сетях мобильной радиосвязи сталкиваются с требованием регулировать диаграмму направленности своих антенн по вертикали, т.е. регулировать поперечное сечение этой диаграммы в вертикальной плоскости. Это необходимо для изменения вертикального угла - называемого также «углом наклона» - основного луча антенны с целью регулирования зоны покрытия антенны. Такое регулирование может понадобиться, например, для компенсации изменения сотовой структуры сети либо количества базовых станций или антенн. Известно, что регулирование угла наклона антенны может быть механическим и электрическим, причем эти варианты можно реализовать как по отдельности, так и совместно.

Угол наклона антенны можно регулировать механически - путем перемещения элементов антенны или их корпуса (обтекателя): это называют регулированием угла «механического наклона». Как описано выше, угол наклона антенны можно регулировать электрически - путем изменения временной задержки или фазы сигналов, подаваемых в каждый элемент (или группу элементов) антенной решетки или принимаемых из него (них) без физического перемещения: это называют регулированием угла «электрического наклона».

При использовании в сотовой сети радиосвязи, к диаграмме направленности по вертикали (ДНпВ) предъявляется ряд важных требований:

1) высокое усиление в направлении главного лепестка (или линии визирования);

2) достаточно низкий уровень первого верхнего бокового лепестка во избежание помех мобильным станциям, использующим базовую станцию в другой ячейке или сети;

3) достаточно высокий уровень первого нижнего бокового лепестка для обеспечения возможности связи в непосредственной близости к антенне.

Эти требования взаимно противоречивы: например, увеличение усиления на линии визирования может увеличить уровень боковых лепестков. Обнаружено, что уровень первого верхнего бокового лепестка, составляющий -18 дБ относительно уровня на линии визирования, обеспечивает удобный компромисс в рабочих характеристиках всей системы в целом.

Эффект регулирования - либо угла механического наклона, либо угла электрического наклона - заключается в изменении положения линии визирования таким образом, что она оказывается направленной вверх или вниз от горизонтальной плоскости, что изменяет зону покрытия антенны.

Желательно иметь возможность изменять и механический наклон, и электрический наклон антенны базовой станции в сотовой сети радиосвязи: это обеспечивает максимальную гибкость в оптимизации покрытия ячеек или секторов, поскольку эти формы наклона имеют разные влияния на наземное покрытие антенной, а также на другие антенны в непосредственной близости от упомянутой станции. Кроме того, эффективность работы повышается, если угол электрического наклона можно регулировать дистанционно от узла антенны. Если угол механического наклона антенны можно регулировать путем изменения положения ее обтекателя, то изменение угла электрического наклона требует дополнительных электронных схем, что увеличивает стоимость и сложность антенны. Более того, если некоторое количество операторов совместно используют одну антенну, то предпочтительным является обеспечение отдельного угла электрического наклона для каждого оператора.

Потребность в отдельном угле наклона совместно используемой антенны до сих пор не удовлетворена и привела к компромиссам в рабочих характеристиках систем. Если усиление уменьшается вследствие используемого метода изменения угла электрического наклона, то могут произойти дальнейшие снижения рабочих характеристик систем. В книге R.C. Thompson, Antenna Engineers Handbook («Справочник для инженеров по антеннам»), 3-е издание, 1993, издательство McGray Hill, ISBN 0-07-032381-X, глава 20, фиг.20-2, описывает способ локального или дистанционного регулирования угла электрического наклона фазированной антенной решетки. В этом способе, сигнал несущей радиочастотного (РЧ) приемника подается на антенну и распределяется по излучающим антенным элементам. Каждый антенный элемент имеет связанный с ним регулируемый фазовращатель, так что фазу сигнала можно регулировать как функцию расстояния вдоль антенны, чтобы изменить угол электрического наклона антенны. Пропорции распределения мощности при отсутствии наклона задают уровень боковых лепестков и усиление на линии визирования. Оптимальное управление углом наклона обеспечивается, когда фазовый фронт управляется для всех углов наклона таким образом, что уровень боковых лепестков не увеличивается во всем диапазоне наклона. Если требуется, угол электрического наклона можно регулировать дистанционно - путем использования сервомеханизма для управления положением фазовращателей.

Антенна, соответствующая этому известному способу, имеет ряд недостатков. Регулируемый фазовращатель необходим для каждого антенного элемента. Из-за того, что таких необходимых фазовращателей требуется много, стоимость антенны оказывается высокой. Стоимость можно уменьшить за счет использования одного общего устройства задержки или фазовращателя для группы антенных элементов, а не для каждого из них, но это увеличивает уровень боковых лепестков. См., например, опубликованную международную патентную заявку № WO 03/036756 A и японскую патентную заявку № JP20011211025 A.

Можно использовать механическое соединение устройств задержки для регулирования задержек, но трудно сделать это корректным образом; более того, механические звенья и зубчатые передачи приводят к неоптимальному распределению задержек. Уровень верхних боковых лепестков увеличивается, когда антенна наклоняется вниз, а это создает потенциальный источник помех мобильным станциям, использующим другие базовые станции. Если некоторое количество операторов совместно используют антенну, то эти операторы имеют общий угол электрического наклона, а не разные углы, что было бы предпочтительно. И, наконец, если антенна используется в системе связи, имеющей восходящую линию связи и нисходящую линию связи на разных частотах (в дуплексной системе с частотным разделением каналов), то угол электрического наклона в режиме передачи отличается от угла электрического наклона в режиме приема из-за того, что свойства компонентов, обрабатывающих сигналы, зависят от частоты.

В международных патентных заявках №№ PCT/GB 2002/004166 и PCT/GB 2002/004930 описано локальное или дистанционное регулирование угла электрического наклона антенны посредством разности фаз в паре фидеров сигналов, соединенных с антенной.

Задача настоящего изобретения состоит в том, чтобы предложить альтернативную форму системы фазированной антенной решетки.

В настоящем изобретении предложена система фазированной антенной решетки с регулируемым электрическим наклоном, содержащая решетку, состоящую из антенных элементов, и отличающаяся тем, что содержит:

а) регулируемый фазовращатель для внесения переменного относительного фазового сдвига между первым и вторым радиочастотными (РЧ) сигналами;

б) разделяющее устройство для разделения первого и второго сигналов с относительным фазовым сдвигом, на составляющие сигналы и

в) схему объединения сигналов для формирования векторных комбинаций составляющих сигналов для выдачи соответствующего сигнала возбуждения для каждого отдельного антенного элемента с надлежащим фазированием относительно других сигналов возбуждения таким образом, что угол электрического наклона решетки регулируется в ответ на изменение переменного относительного фазового сдвига, вносимого регулируемым фазовращателем.

Изобретение обеспечивает преимущество, заключающееся в том, что можно регулировать электрический наклон всей антенной решетки с помощью одного единственного регулируемого фазовращателя, а не одного регулируемого фазовращателя для каждого антенного элемента или группы антенных элементов, как в известных технических решениях. Если используют один или более дополнительных фазовращателей, то можно получить расширенный диапазон электрического наклона.

Антенная система может иметь нечетное количество антенных элементов. Регулируемый фазовращатель может быть первым регулируемым фазовращателем, при этом система включает в себя второй регулируемый фазовращатель, выполненный с возможностью фазового сдвига составляющего сигнала, который подвергнут фазовому сдвигу первым регулируемым фазовращателем, и второй регулируемый фазовращатель обеспечивает дополнительный составляющий сигнал, выдаваемый для схемы объединения и фазового сдвига сигналов непосредственно или через одну или более комбинаций разделителей и регулируемых фазовращателей.

Регулируемый фазовращатель может быть одним из множества регулируемых фазовращателей, при этом схема фазового сдвига и объединения сигналов выполнена с возможностью выработки сигналов возбуждения антенных элементов из составляющих сигналов, некоторые из которых пропущены через все регулируемые фазовращатели, а некоторые - нет.

Разделяющее устройство может быть выполнено с возможностью разделения составляющего сигнала на дополнительные составляющие сигналы для ввода их в схему фазового сдвига и объединения сигналов. В схеме фазового сдвига и объединения сигналов возможно использование фазовращателей и гибридных разветвителей (гибридных соединений) для внесения фазового сдвига в составляющие сигналы и их векторного объединения. Гибридные соединения могут быть гибридными соединениями, вносящими фазовый сдвиг на 180°, также известными как суммарно-разностные гибридные соединения. Гибридные соединения могут быть выполнены в виде кольцевых гибридных соединений, каждое с окружностью (n+1/2)λ и портами ввода и вывода, разделенными промежутком λ/4, где n - целое число, а λ - длина волны РЧ сигналов в материале, из которого изготовлено каждое кольцевое гибридное соединение. Порты ввода и вывода каждого гибридного соединения согласованы с импедансом системы.

Гибридные соединения для векторного объединения составляющих сигналов могут быть выполнены с возможностью преобразования входных сигналов I1 и I2 в векторные суммы и разности, отличные от (I1+I2) и (I1-I2).

Разделяющее устройство, регулируемый фазовращатель и схема фазового сдвига и объединения сигналов могут быть расположены в одном и том же месте с антенной решеткой, образуя антенный узел, причем этот узел имеет один фидер мощности входных РЧ сигналов от удаленного источника. В альтернативном варианте, разделяющее устройство может включать в себя первый, второй и третий разделители, при этом первый разделитель расположен вместе с регулируемым фазовращателем на удалении от второго и третьего разделителей, причем второй и третий разделители, схема фазового сдвига и объединения сигналов и антенная решетка расположены в том же месте, что и антенный узел, и этот узел имеет два фидера мощности входных РЧ сигналов от удаленного источника, в котором находятся первый блок разделения и регулируемый фазовращатель.

Регулируемый фазовращатель может быть первым регулируемым фазовращателем, подсоединенным в канале передачи, при этом система включает в себя второй регулируемый фазовращатель, подсоединенный в канале приема: каналы передачи и приема могут быть аналогичными, обеспечивающими фиксированные фазовые сдвиги, а не переменный фазовый сдвиг, и тогда схема фазового сдвига и сложения сигналов выполнена с возможностью работы в обоих режимах - передачи и приема - за счет выработки сигналов возбуждения элементов антенны в ответ на сигналы в каналах передачи, а также выработки сигнала канала приема из сигналов, формируемых антенными элементами, работающими в режиме приема. Тогда угол электрического наклона оказывается независимо регулируемым в каждом режиме.

Регулируемый фазовращатель может быть одним из множества регулируемых фазовращателей, связанных с соответствующими операторами, а система при этом включает в себя устройство фильтрации и объединения для направления сигналов в общее фидерное устройство после фазового сдвига в соответствующих регулируемых фазовращателях, причем это общее фидерное устройство соединено с разделяющим устройством и схемой объединения и фазового сдвига сигналов для выдачи сигналов, содержащих вклады от обоих операторов, в антенну с независимо регулируемым электрическим наклоном. Множество регулируемых фазовращателей может содержать соответствующую пару регулируемых фазовращателей, связанных с каждым оператором, а система может иметь компоненты, которые имеют возможности обработки сигналов, следующих и в прямом, и в обратном направлении, так что система может работать в режимах передачи и приема таким образом, что электрический наклон оказывается независимо регулируемым в каждом режиме.

В еще одном аспекте, в настоящем изобретении предложен способ регулирования электрического наклона системы фазированной антенной решетки, при этом система включает в себя решетку, состоящую из антенных элементов, причем способ включает в себя:

а) внесение переменного относительного фазового сдвига между первым и вторым радиочастотными (РЧ) сигналами;

б) разделение первого и второго сигналов с относительным фазовым сдвигом на составляющие сигналы и

в) векторное объединение и относительный фазовый сдвиг составляющих сигналов для выдачи соответствующего сигнала возбуждения для каждого отдельного антенного элемента с надлежащим фазированием относительно других сигналов возбуждения таким образом, что угол электрического наклона решетки регулируется в ответ на изменение переменного относительного фазового сдвига.

Решетка может иметь нечетное количество антенных элементов.

Способ может включать в себя генерирование, по меньшей мере, одного составляющего сигнала, который подвергнут фазовому сдвигу во множестве регулируемых фазовращателей. Регулируемые фазовращатели могут быть сгруппированы, при этом способ включает в себя выработку сигналов возбуждения антенных элементов из составляющих сигналов, некоторые из которых пропущены через все регулируемые фазовращатели, а некоторые - нет.

Способ может включать в себя разделение составляющего сигнала на дополнительные составляющие сигналы для ввода их в схему фазового сдвига и объединения сигналов. В этой схеме возможно использование фазовращателей и гибридных соединений для внесения фазового сдвига в составляющие сигналы и их векторного сложения. Гибридные соединения могут быть гибридными соединениями, вносящими фазовый сдвиг на 180°. Они могут быть выполнены в виде кольцевых гибридных соединений с окружностью (n+1/2)λ и портами ввода и вывода, разделенными промежутком λ/4, где n - целое число, а λ - длина волны РЧ сигналов в материале, из которого изготовлено каждое кольцевое гибридное соединение. Разделяющее устройство также может включать в себя такие кольцевые гибридные соединения, при этом один порт ввода каждого гибридного соединения нагружен на резистор, значение сопротивления которого равно импедансу системы, для образования согласованной нагрузки.

Гибридные соединения для векторного объединения составляющих сигналов могут быть выполнены с возможностью преобразования входных сигналов I1 и I2 в векторные суммы и разности, отличные от (I1+I2) и (I1-I2).

Способ может включать в себя подачу одного входного РЧ сигнала из удаленного источника для разделения, внесения переменного фазового сдвига и векторного объединения в схеме, расположенной в одном и том же месте с антенной решеткой, образуя антенный узел. В альтернативном варианте, способ может включать в себя подачу двух входных РЧ сигналов с переменной фазой друг относительно друга из удаленного источника в антенный узел, а также разделение, внесение переменного фазового сдвига и объединение сигналов в схеме, расположенной в одном и том же месте с антенным узлом. При осуществлении способа возможно применение каналов передачи и приема для работы в обоих режимах - передачи и приема, выработки сигналов возбуждения антенных элементов в ответ на сигнал в каналах передачи, а также выработки сигнала канала приема из сигналов, формируемых антенными элементами, работающими в режиме приема.

Регулируемый фазовращатель может быть одним из множества регулируемых фазовращателей, связанных с соответствующими операторами, а способ может включать в себя:

а) фильтрацию и объединение сигналов и пропускание их в общее устройство подачи сигналов после фазового сдвига в соответствующих регулируемых фазовращателях, причем это общее устройство подачи сигналов соединено с разделяющим устройством и схемой объединения и фазового сдвига сигналов;

б) выдачу сигналов, содержащих вклады от обоих операторов, в антенну, и

в) независимое регулирование электрического наклона, связанного с каждым оператором.

Множество регулируемых фазовращателей может содержать соответствующую пару регулируемых фазовращателей, связанных с каждым оператором, в способе могут использоваться компоненты, которые имеют возможности обработки сигналов, следующих в прямом и в обратном направлении, так что способ может включать в себя работу в режимах передачи и приема таким образом, что электрический наклон оказывается независимо регулируемым в каждом режиме.

Изобретение поясняется ниже посредством описания вариантов осуществления, со ссылками на чертежи, при этом:

на фиг.1 показана диаграмма направленности по вертикали (ДНпВ) фазированной антенной решетки при нулевом и ненулевом углах электрического наклона;

фиг.2 иллюстрирует известную фазированную антенную решетку, имеющую регулируемый угол электрического наклона;

на фиг.3 представлена блок-схема системы фазированной антенной решетки согласно изобретению;

на фиг.4 подробнее показана схема объединения сигналов, используемая в системе согласно фиг.3;

на фиг.5 представлена фазовая диаграмма сигналов антенных элементов в связи с фазовым сдвигом на девяносто градусов, вносимым регулируемым фазовращателем в системе согласно фиг.3;

на фиг.6 и 7 представлены блок-схемы частей других систем фазированной антенной решетки согласно изобретению, включающих в себя одиннадцать и двенадцать антенных элементов, соответственно (расстояние между элементами на фиг.6 показано не совсем в масштабе);

на фиг.8 представлена фазовая диаграмма сигналов антенных элементов в связи с фазовым сдвигом на девяносто градусов, вносимым регулируемым фазовращателем в системе согласно фиг.7;

на фиг.9 представлена блок-схема еще одной системы фазированной антенной решетки согласно изобретению, в которой применяются два регулируемых фазовращателя;

на фиг.10 представлена блок-схема антенной системы согласно изобретению, аналогичной той, которая показана на фиг.9, но использующей сгруппированные регулируемые фазовращатели;

фиг.11 и 12 иллюстрируют применение изобретения с одним и двумя фидерами, соответственно;

на фиг.13 показана модификация, вносимая в изобретение и обеспечивающая независимое регулирование углов электрического наклона в режиме передачи и режиме приема;

на фиг.14 представлена блок-схема еще одной системы фазированной антенной решетки согласно изобретению, иллюстрирующая совместное использование антенны несколькими пользователями с помощью двух фидеров и с возможностью достижения отдельного наклона и работы в режимах передачи и приема;

на фиг.15 представлен вариант антенной системы согласно фиг.9 с регулируемыми фазовращателями, расположенными на удалении друг от друга; и

фиг.16 иллюстрирует систему фазированной антенной решетки согласно изобретению, включающую в себя гибридные разветвители.

Во всех проиллюстрированных примерах применяются соединения, для которых импедансы источников сигналов равны соответствующим импедансам нагрузок для образования «согласованной» системы. Согласованная система максимизирует мощность, передаваемую от источника к нагрузке, и позволяет избежать отражений сигналов. Если шины передачи сигналов нагружены на резистор (см., например, фиг.6), то значение сопротивления этого резистора равно импедансу системы для образования согласованной оконечной нагрузки.

На фиг.1 показаны диаграммы 10а и 10b направленности по вертикали (обозначаемые в тексте сокращением ДНпВ) антенны 12, которая представляет собой фазированную антенную решетку, состоящую из отдельных антенных элементов (не показаны). Антенна 12 является плоской и ориентирована вертикально в плоскости чертежа. Соответственно, ДНпВ 10а и 10b соответствуют нулевому и ненулевому изменениям задержки или фазы сигналов антенных элементов с изменением расстояния вдоль антенны 12. Они имеют соответствующие главные лепестки 16а, 16b с центральными линиями или линиями 18а, 18b визирования, первые верхние боковые лепестки 20а, 20b и первые нижние боковые лепестки 22а, 22b; позиция 18с обозначает направление визирования при нулевом изменении задержки для сравнения с ненулевым эквивалентом 18b. В случае упоминания, например, бокового лепестка 20 без употребления суффикса «а» или «b», имеется в виду любой из соответствующей пары элементов, безразлично какой. ДНпВ 10b наклонена (вниз, как показано на чертеже) относительно ДНпВ 10а, т.е. имеется угол - угол наклона - между центральными линиями 18а и 18с основных лучей, имеющий величину, зависящую от скорости, с которой изменяется задержка с расстоянием вдоль антенны 12.

ДНпВ должна удовлетворять ряду критериев: а) высокое усиление в направлении визирования, б) первый верхний боковой лепесток 20 должен быть на достаточно низком уровне во избежание помех для мобильных станций, использующих другую ячейку, и в) первый нижний боковой лепесток 22 должен быть на достаточно высоком уровне для обеспечения возможности связи в непосредственной близости к антенне.

Эти требования взаимно противоречивы: например, максимизация усиления в направлении визирования может увеличить боковые лепестки 20, 22. Обнаружено, что уровень первого верхнего бокового лепестка, составляющий -18 дБ относительно уровня в направлении визирования (длины основного луча 16), обеспечивает удобный компромисс в рабочих характеристиках всей системы в целом. Усиление в направлении визирования уменьшается пропорционально косинусу угла наклона из-за уменьшения эффективной апертуры антенны. Дальнейшие уменьшения усиления в направлении визирования могут привести к результату, зависящему от того, насколько изменяется угол наклона.

Эффект регулирования либо угла механического наклона, либо угла электрического наклона заключается в изменении положения электрической оси таким образом, что она оказывается направленной вверх или вниз от горизонтальной плоскости, что увеличивает или уменьшает зону покрытия антенны. Для максимальной гибкости использования, базовая станция сотовой сети радиосвязи предпочтительно имеет возможность осуществления и механического наклона, и электрического наклона, поскольку каждый из них имеет разное влияние на форму и площадь наземного покрытия антенны, а также на другие антенны в непосредственной близости и в соседних ячейках. Также удобно, если угол электрического наклона может регулироваться дистанционно относительно антенны. Кроме того, если некоторое количество операторов совместно используют одну антенну, то предпочтительным является обеспечение отдельного угла электрического наклона для каждого оператора.

На фиг.2 показана известная система 30 фазированной антенной решетки, в которой имеется возможность регулирования угла электрического наклона. Система 30 включает в себя вход 32 для сигнала несущей радиочастотного (РЧ) передатчика, причем этот вход соединен со схемой 34 распределения мощности. Схема 34 соединена через фазовращатели ФВ.E0, ФВ.E1L-ФВ.E[n]L и ФВ.E1U-ФВ.E[n]U с соответствующими излучающими антенными элементами E0, E1L-E[n]L и E1U-E[n]U, соответственно, системы 30 фазированной антенной решетки, при этом суффиксы U и L обозначают соответственно верхний и нижний элементы, n - произвольное положительное целое число больше 2, которое ограничивает размер фазированной антенной решетки, а пунктирные линии, такие, как 36, указывают, что при необходимости можно повторить соответствующий элемент для достижения желательного размера антенной решетки.

Система 30 фазированной антенной решетки работает следующим образом. Сигнал несущей РЧ передатчика подается через вход 32 в схему 34 распределения мощности: эта схема 34 разделяет сигнал (не обязательно поровну) между фазовращателями ФВ.E0, ФВ.E1L-ФВ.E[n]L и ФВ.E1U-ФВ.E[n]U, которые вносят фазовый сдвиг в принимаемые ими сигналы и пропускают результирующие сигналы, подвергнутые фазовому сдвигу, в соответствующие связанные с ними антенные элементы E0, E1L-E[n]L и E1U-E[n]U. Фазовые сдвиги и амплитуды сигналов, подаваемых в каждый элемент, выбирают с возможностью выбора подходящего угла электрического наклона. Распределение мощности схемой 34, когда угол наклона является нулевым, выбирают так, чтобы установить подходящий уровень боковых лепестков и подходящее усиление в направлении визирования. Оптимальное управление углом наклона получают, когда фазовый фронт оказывается управляемым для всех углов наклона таким образом, что уровень боковых лепестков не претерпевает значительное увеличение в диапазоне наклона. Если необходимо, осуществляется дистанционное регулирование угла электрического наклона путем использования сервомеханизма для управления фазовращателями ФВ.E0, ФВ.E1L-ФВ.E[n]L и ФВ.E1U-ФВ.E[n]U, возбуждение которых может быть механическим.

Известная система 30 фазированной антенной решетки имеет ряд следующих недостатков:

а) для каждого антенного элемента или группы антенных элементов необходим соответствующий фазовращатель;

б) из-за того, что требуется много фазовращателей, стоимость антенны оказывается высокой;

в) уменьшение стоимости путем использования фазовращателей для группы антенных элементов увеличивает уровень боковых лепестков;

г) механическое соединение фазовращателей для правильного задания задержек является затруднительным, так что используют механические связи и зубчатые передачи, которые приводят к неоптимальной схеме задержек;

д) уровень верхних боковых лепестков увеличивается, когда антенна наклоняется вниз, создавая потенциальный источник помех мобильным станциям, использующим другие ячейки;

е) если некоторое количество операторов совместно используют антенну, то эти операторы должны использовать общий угол электрического наклона;

ж) в системе связи с нисходящей линией связи и восходящей линией связи на разных частотах (в дуплексной системе с частотным разделением каналов) угол электрического наклона в режиме передачи отличается от угла электрического наклона в режиме приема.

На фиг.3 показана система 40 фазированной антенной решетки, которая имеет регулируемый угол электрического наклона. Система 40 включает в себя пять последовательных функциональных областей 40₁-40₅, называемых в известных технических решениях «уровнями» и показанных между парами пунктирных линий, таких, как линия 41. Система имеет вход 42 для передаваемого РЧ сигнала несущей: вход 42 подсоединен в качестве входа к разделителю 44 мощности, выдающему два выходных сигнала, имеющих амплитуды V1A, V1B, которые становятся входными сигналами для регулируемого фазовращателя 46 и первого фиксированного фазовращателя 48, соответственно. Фазовращатели 46 и 48 могут также рассматриваться как средства временной задержки. Они выдают соответствующие выходные сигналы V2В, V2А в два разделителя 52 и 54 мощности. Разделители 52 и 54 мощности имеют n выходов, таких, как 52а и 54а, соответственно: здесь n - положительное целое число, равное 2 или большее, а обозначенные пунктирными линиями выходы 52b и 54b показывают, что выход в каждом случае можно повторить, если это потребуется, для достижения любого желательного размера фазированной антенной решетки.

Выходы разделителей мощности, такие, как 52а и 54а, выдают выходные сигналы, имеющие амплитуды Va1-Va[n] и Vb1-Vb[n], соответственно (на чертеже их обозначения не содержат букву V). Как подробнее пояснено ниже, некоторые из этих выходных сигналов могут иметь амплитуды, равные амплитудам других сигналов, а некоторые - неравные. В одном варианте осуществления (описываемом ниже), предусматривающем наличие десяти антенных элементов (n=5), Va1=Va2=Va3, Vb3=Vb4=Vb5, Va4=Vb2 и Va5=Vb1. Эти выходные сигналы подаются на уровень 40₄ фазового сдвига и сложения, который содержит второй и третий фиксированные фазовращатели 56 и 58 и схемы векторного сложения, обозначенные общей позицией 60. Подробное пояснение уровня 40₄ будет приведено ниже: он выдает сигналы возбуждения в равноотстоящие друг от друга антенные элементы 62₁-62_n, расположенные в фазированной антенной решетке 62, через соответствующие фиксированные фазовращатели 64₁-64_n. Здесь, как и прежде, n - произвольное положительное целое число, равное или большее 2, но равное значению n для разделителей 52 и 54 мощности, а размер фазированной антенной решетки составляет 2n антенных элементов. Внутренние антенные элементы 62₂ и 62₃ обозначены пунктирными линиями, чтобы показать, что при необходимости их можно повторить для достижения любого желательного размера фазированной антенной решетки.

Система 40 фазированной антенной решетки работает следующим образом. Сигнал несущей РЧ передатчика подается (по единственному фидеру) через вход 42 в разделитель 44 мощности, где разделяется на сигналы V1A и V1B (в этом примере - одинаковой мощности). Эти сигналы V1A и V1B подаются на регулируемый и фиксированный фазовращатели 46 и 48, соответственно. Регулируемый фазовращатель 46 вносит выбираемый оператором фазовый сдвиг или временную задержку, а выраженная в градусах величина фазового сдвига, вносимого в данном случае, управляет углом электрического сдвига всей фазированной антенной решетки 62, состоящей из антенных элементов 62₁ и т.д. Фиксированный фазовращатель 48 не существенен, но удобен: он вносит фиксированный фазовый сдвиг, который для удобства выбирают составляющим половину максимального сдвига φ_М, вносимого регулируемым фазовращателем 46. Это обеспечивает изменение сигнала V1A по фазе в диапазоне от -φ_М до +φ_М относительно сигнала V1B, и эти сигналы после фазового сдвига становятся сигналами V2B и V2A, как сказано выше, после выдачи из фазовращателей 46 и 48.

Каждый из разделителей 52 и 54 мощности разделяет сигналы V2B и V2A на соответствующий набор из n выходных сигналов Vb1-Vb[n] или Va1-Va[n], при этом мощность каждого сигнала в каждом наборе Vb1 и т.д. или Va1 и т.д. не обязательно равна мощностям других сигналов в этом наборе. Изменение мощностей сигналов по наборам Vb1 и т.д. или Va1 и т.д. оказывается разным для разных количеств антенных элементов 62₁ и т.д. в антенной решетке 62.

Один из набора выходных сигналов Vb1-Vb[n] подается в соответствующий фиксированный фазовращатель 64₃ антенны через второй фазовращатель 56, а один из набора выходных сигналов Va1-Va[n] точно так же подается в еще один фиксированный фазовращатель 64₈ антенны через третий фазовращатель 58. Второй и третий фазовращатели 56 или 58 вносят дополняющие фазовые сдвиги, чтобы скомпенсировать фазовые сдвиги, вносимые схемами 60 сложения. Другие сигналы в наборах Vb1-Vb[n] и Va1-Va[n] попарно складываются в схемах 60 для получения сигналов, являющихся результатами векторного сложения и применяемых для возбуждения соответствующих элементов 62₁ и т.д. посредством соответствующих фазовращателей 64₁ и т.д. Фиксированные фазовращатели 64₁ и т.д. вносят фиксированные фазовые сдвиги, которые изменяются между разными антенными элементами 62₁ и т.д. в соответствии с геометрическим положением элемента вдоль матрицы 62: это задает нулевое направление отсчета (18а или 18b на фиг.1) для направления визирования антенной решетки 62, когда регулируемый фазовращатель 46 вносит нулевую разность фаз между сигналами V1A и V1B. Фазовращатели 64₁ и т.д. антенны не существенны, но они предпочтительны, потому что их можно использовать для: а) установки правильной пропорции фазового сдвига, вносимого в процессе наклона; б) оптимизации подавления боковых лепестков по всему диапазону наклона и в) введения выбираемого фиксированного угла электрического наклона.

Угол электрического наклона антенной решетки 60 изменяют просто путем использования одного регулируемого фазовращателя - регулируемого фазовращателя 46. Это можно сравнить с требованием, накладываемым на известные технические решения и заключающимся в наличии множества фазовращателей, по одному для каждого антенного элемента или подгруппы антенных элементов. Когда разность фаз, вносимая посредством регулируемого фазовращателя 46, оказывается положительной относительно фиксированного фазовращателя 48, антенна наклоняется в одном направлении, а когда эта разность фаз оказывается отрицательной, антенна наклоняется в противоположном направлении.

Ес