ИНТЕРМОДУЛЯЦИОННЫЕ ПОМЕХИ В АНТЕННАХ С ЭЛЕКТРОННО-УПРАВЛЯЕМОЙ ДИАГРАММОЙ НАПРАВЛЕННОСТИ

О.А. Залевский

К.т.н., вед. специалист «НИИДАР-ГРАД»

В статье “Интеллектуальная антенна для сотовых сетей 3G” рассмотрены вопросы проектирования антенн следующего поколения, предназначенных для работы в сетях связи с резко изменяющимся пространственно локализованным трафиком. Например, при проведении массового мероприятия на стадионе (футбольный матч) антенны близлежащей соты должны быть в основном ориентированы в сторону стадиона из-за значительного увеличения информационных потоков. После окончания матча диаграммы направленности антенн должны вернуться в прежнее положение (как правило, чтобы обеспечить круговую направленность). Механическая переориентация антенн технически сложна и не эффективна. Поэтому взоры разработчиков сотовых систем связи обратились в сторону антенн с электронно-управляемой диаграммой направленности, позволяющих программно изменять не только направление и ширину диаграммы направленности, но и создавать адаптивные системы, которые автоматически изменяют параметры системы в зависимости от меняющихся информационных потоков.

Антенна с электронно-управляемой диаграммой направленности представляет собой фазированную антенную решетку. Изменение направления излучения и ширины диаграммы осуществляется с помощью дискретных фазовращателей, выполненных, как правило, на p-i-n диодах, т.е. на нелинейных элементах.

В статье “Интермодуляционные помехи в многоканальных системах связи” рассмотрен механизм возникновения интермодуляционных составляющих в нелинейных элементах и их влияние на работу систем связи. Показано, что наибольшее влияние на работу систем связи оказывает интермодуляционная помеха третьего порядка (IP3) вида 2f1 - f2 , где f1 , f2 – частоты сигналов, воздействующих на нелинейный элемент.

В системах сотовой связи требования к относительным уровням IP3 очень жесткие и составляют -130…-150 dBc. Эти требования распространяются и на пассивные элементы систем: антенны, соединители, кабели. Дело в том, что некачественные механические контакты и неправильно подобранные гальванические покрытия приводят к возникновению нелинейных явлений, механизм которых практически не изучен. Поэтому, на пассивные элементы сотовых систем связи приводятся данные по уровням интермодуляционных составляющих. Так, в частности, немецкая фирма KATHREIN в технических характеристиках на антенны для сотовых систем связи приводит данные по интермодуляции. В связи с этим при разработке смарт-антенны для сотовой системы связи ГРАД 9099 GSM было уделено большое внимание интермодуляционным помехам.

Основным источником интермодуляционных помех в смарт-антенне является фазовращатель, выполненный по бинарной схеме и представляющий собой каскадное соединение четырех фазосдвигающих ячеек с дискретам фазы 22,5° ; 45° ; 90° ; 180° (см. рис.1). Каждая из фазосдвигающих ячеек выполнена по схеме отражательного фазовращателя на 3-х дБ направленном ответвителе и переключательных p-i-n диодах (см. рис.2).

В открытом состоянии p-i-n диод представляет собой небольшое (единицы Ом) сопротивление, в закрытом состоянии - нелинейную емкость, которая и является основным источником IP3 в фазовращателе. Емкость закрытого p-n перехода Cj зависит от приложенного напряжения в соответствии с формулой Cj = Cjo(1+Uj)-m, где Uj – обратное напряжение приложенное к p-n переходу, Cjo – емкость p-n перехода при Uj = 0, m – коэффициент, зависящий от технологии изготовления диода.

На рис.3 приведена типичная зависимость емкости закрытого p-i-n диода от величины запирающего напряжения для трех значений коэффициента m. Из графика видно, что с увеличением коэффициента m нелинейность емкости в области напряжений более 10 В уменьшается. С целью выяснения зависимостей уровня IP3 от параметров p-i-n диода, запирающего напряжения и подводимой мощности было проведено компьютерное моделирование отражательного фазовращателя.

На рис.4 приведена зависимость относительного уровня IP3 от величины запирающего напряжения для трех значений коэффициента m. При этом на вход фазовращателя поступает двухтоновый сигнал с частотами 850 МГц, 900 МГц мощностью 0,5 Вт каждая. Электрическая длина короткозамкнутой линии L (см. рис.2) составляет 90 ° , что соответствует изменении фазы на выходе отражательного фазовращателя на 180 °.

На рис.5. показана зависимость относительного уровня IP3 от величины мощности одного из двухтоновых сигналов для трех значений коэффициента m. Запирающее напряжение при этом равно 100 В. Из графиков следует, что независимо от коэффициента m изменение входных мощностей на 3 дБ приводит к изменению относительного уровня IP3 на 6-8 дБ.

На рис.6 показана зависимость относительного уровня IP3 от величины емкости диода при нулевом запирающем напряжении. Запирающее напряжение при этом равно 100 В, мощность каждого из двухтоновых сигналов 0,5 Вт.

Проведенное компьютерное моделирование простого отражательного фазовращателя позволило выработать следующие рекомендации, которые необходимо учитывать при проектировании фазовращателя для получения низких уровней IP3:

•  обратное запирающее напряжение на диодах должно быть не менее 100 В;

•  коэффициент m, характеризующий нелинейность емкости закрытого p-n перехода, должен иметь возможно большую величину;

•  емкость запертого p - n перехода должна минимально возможной;

•  мощность, подводимая к одному диоду должна минимально возможной.

На рис.7 представлена схема стенда для измерения IP3 фазовращателей смарт-антенны. Г1 и Г2 – генераторы с кварцевой стабилизацией частоты. Сигналы от генераторов поступают на линейные усилители мощности.

Коэффициент усиления каждого из усилителей 40 дБ. Для взаимной развязки и обеспечения сложения мощностей сигналов с частотами 850 и 900 МГц, в схеме стенда предусмотрен дуплексер, состоящий из узкополосных фильтров и согласующего устройства. Дуплексер выполнен на объемных конструкциях с с особыми требованиями к качеству контактных соединений. Фильтры обеспечивают взаимную развязку генераторов на уровне более 90 дБ. С выхода дуплексера сигналы с частотами 850 и 900 МГц и мощностью 0,5 Вт каждый поступают на испытуемый фазовращатель. Для обеспечения согласования по выходу фазовращателя включен направленный ответвитель, основной канал которого нагружен на согласованную нагрузку. В ответвленный канал включен узкополосный фильтр, настроенный на частоту интермодуляционной составляющей 800 МГц. Для обеспечения требуемой чувствительности после фильтра включен малошумящий усилитель, с выхода которого сигнал поступает на анализатор спектра.

С помощью стенда было проведено измерения уровня IP3 на выходе бинарного фазовращателя, выполненного по схеме рис.1. На рис.8 представлены результаты измерения относительного уровня IP3 на выходе фазовращателя в зависимости от заданной фазы.

Из графика видно, что в диапазоне изменения фазы 90°…180° имеет место уменьшение уровня IP3 по сравнению со значениями в окрестностях 0° и 360° . Есть предположение, что интермодуляционные составляющие возникают не только на нелинейной емкости закрытого p-i-n диода, но и на открытом диоде из-за конечного значения времени жизни носителей. В этом случае фазы интермодуляционных составляющих на открытом и закрытом диодах в фазосдвигающих ячейках будут отличаться примерно на 90° и при включении определенных дискретов фазы будет иметь место их частичная компенсация на выходе фазовращателя. Для проверки этого предположения было проведено компьютерное моделирование фазовращателя на p-i-n диодах при конечном значении времени жизни носителей. На рис.8 приведены результаты компьютерного моделирования. Сравнение результатов теории и эксперимента показывает хорошее качественное и количественное совпадение.

На рис.9 представлена схема измерения IP3 антенны ГРАД 9099 GSM. Сигналы с частотами 850 и 900 МГц и мощностью 10 Вт каждый с выхода дуплексера поступают на вход испытуемой антенны ГРАД 9099 GSM и излучаются в направлении приемной антенны ГРАД 9084. С выхода приемной антенны сигнал поступает на узкополосный фильтр, настроенный на частоту интермодуляционной составляющей IP3 равной 800 МГц. Для обеспечения требуемой чувствительности сигнал IP3 усиливается малошумящим усилителем с коэффициентом усиления 32дБ и поступает на анализатор спектра.

Проведенные измерения показали, что относительный уровень IP3 излучаемый смарт-антенной при подаче на её вход двух сигналов мощностью 10 Вт каждый и изменении параметров диаграммы направленности лежит в пределах - 126…-137 dBc.