CN100435414C - 差分相位连续可变的波束形成网络 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种差分相位连续可变的波束形成网络，包括金属腔体以及位于金属腔体内的功分器组和若干移相器，功分器组包括主功分器和若干从功分器，其中，各移相器根据移相的正反方向不同被分布在金属腔体内两侧，两侧移相器之间设有与各移相器连接的绝缘件，绝缘件上连设有介质杆，金属腔体设有供操作该介质杆的操作孔。包含所有功分器和移相器在内的波束形成网络实现了结构一体化集成，在实现移相的同时又实现了特殊的功率幅度加权，且结构简单可靠、尺寸体积小、制造简单、成本低廉。同时，移相器的移动部分和固定部分的金属采用了非接触式的电容耦合信号传输，从而抑制了无源互调产物以及高功率打火现象。

Description

差分相位连续可变的波束形成网络

【技术领域】

本发明涉及一种波束形成网络，尤其是用于蜂窝移动通信系统基站天线的一种差分相位连续可变的波束形成网络。

【技术背景】

基站天线是数字蜂窝移动通信系统的关键部件。基站天线对所处位置的蜂窝小区(简称业务小区)进行无线信号覆盖；同时对来自远方其它具有同样工作频率的小区(简称同频小区)的无线干扰(简称同频干扰)进行抑制。实现上述功能的方法是合理地调整基站天线垂直面方向图的波束指向，使其指向角在水平线方向朝下作适当倾斜(也称波束下倾)。由于在许多复杂的实际应用场景中，信号覆盖的范围和同频干扰的情况不断地在改变，因此波束下倾的角度(也称波束扫描)也需要在时间上的经常变化、以及在角位置上的连续变化，这种天线称为连续可调的波束电下倾基站天线。

连续可调波束电下倾基站天线的实现原理来自众所周知的相控阵雷达天线波束扫描原理。现有技术中，在美国专利(US6,611,230)“Phased arrayantenna having phase shifters with laterally spaced phase shift bodies”中详细叙述了这一实现过程，请参见图1所示的原理框图。

在图1中，相控阵雷达天线39(或连续可调的波束电下倾基站天线)主要由天线辐射单元阵列31和波束形成网络37组成。天线阵列31由等物理间隔的n个辐射单元32a、32b、32c、...、32n组成；波束形成网络37由一分为n的功分器(处于发射状态时的简称，全称为功率合成与分配网络)和n个可变相位的移相器34a、34b、34c、...、34n组成。当n个移相器34a、34b、34c、...、34n的相位输出依此为Ф₀、Ф₀+Δ、Ф₀+2Δ、...、Ф₀+(n-1)Δ(即满足差分相位关系)时，方向图的波束指向产生一个物理角度偏移(扫描或下倾)量θ，其关系为：Δ＝(2πd/λ)sinθ。其中d为相邻辐射单元的间隔、λ为工作波长、Ф₀为每一单元传输通道的固有初始相位，它可以通过传输线(如电缆)的配相来实现各单元传输通道Ф₀的一致。显然，下倾角θ仅与差分相位Δ有关。实现等差分相位Δ(Δ可正可负)且实现Δ的连续可变，则下倾角θ连续可调。差分相位Δ的连续变化由波束控制器38来完成。

因此，波束形成网络37是波束电下倾基站天线实现的关键。

遗憾的是相控阵雷达天线在波束形成网络37中采用的移相器34是量化式的数字移相器，其造价昂贵，且相应的波束控制器38也复杂和昂贵；同时量化式的数字移相器会带来波束下倾角度的指向偏差且不能连续改变下倾的角度，后一缺点在相控阵天线中是通过成千上万个移相器和天线辐射单元的组合以及算法的修正来弥补，而对于仅有几个辐射单元的基站天线来说，指向误差是难以弥补的。

为了实现图1的波束形成网络37，首先需要一种廉价的且相位可连续变化的移相器，现有技术中，在1950年的美国专利(US2,502,359)中提出了这样一种相位可连续变化的移相器，如图2所示。图2中沿3-3方向看去的剖面投影图如图3所示。

参见图2和图3：“U”型传输线由11、12、13、14、15组成，其中采用金属空心圆柱结构的11、12为固定部分，二者的左端分别与金属腔体19侧壁上的二个同轴线接头24相连；采用金属实心圆柱结构的“U”型线14、13、15分别插入11和12右端空心体内。通过一个机械传动杆21、联动体16以及17和18，进而推动14、13、15左右运动，其中17、18为非导电的绝缘件。由于11、14、13、15、12组成的“U”型传输线的总长度的连续变化，导致二个同轴线接头24之间传输信号的相位出现相应的连续变化，即实现了移相功能。

上述移相器的缺点之一在于：在反复的使用中，难以确保固定的传输线11或12与可移动传输线14、13、15之间的良好接触，而且两个金属之间的这种非紧固连接方式在高功率情况下可能出现打火现象，同时难以避免由于不良接触引起的无源互调产物。

上述移相器的缺点之二在于：圆柱状的传输线11、14、13、15、12为了满足一定的阻抗特性，相应的腔体19的厚度尺寸H更大。

上述移相器的缺点之三在于：当移相器应用于类似连续可调的波束电下倾基站天线时，通常需要同时采用多个移相器一体化，如此，由于结构布局的关系，圆柱状的传输线11和12的空心环不便于机械加工，采用模具生产也不便于脱模工艺。

缺点之三的应用例子在公开文献Crone，G.A.E.；Rispoli，F.；Wolf，H.；Clarricoats，P.J.B.；″Technology advances in reconfigurable contoured beamreflector antenna in Europe″，Proc.of 13-th AIAA International Conference onCommunications Satellite Systems，1990，pp.255-263中可以看到：根据上述文献中Fig.10的描述，其实现一个可变功分器例子的结构示意图如图4所示。

参见图4，输入信号从端口51经过一分二的功分器54的54a臂分解为54b和54c二路，再分别经过大“U”型移相器55和56，连接至3dB分支线定向耦合器57的二个输入端58和59。当结构相同、布局相向的一对“U”型移相器55和56朝同一方向联动移动时，一个移相器将产生正的差分相位，另一个移相器将产生负的差分相位，如此，根据众所周知的微波网络原理，最终在分支线定向耦合器57的二个输出端52和53将实现功率分配比的连续变化，而相应的相位输出却保持恒定不变。可以看出，在这个例子中用到2个“U”型移相器，相应地54b和54c或者58和59需要整体加工，其中的空心环横截面显然给加工带来不便。

另外，对于n路辐射天线单元组成的电下倾基站天线，实现波束的连续可调需要至少n-1个移相器元件组成的波束形成网络，并产生一系列差分相位Δ、2Δ、...、(n-1)Δ，如此，如果由于移相的量程不同出现多个移相器尺寸结构或者如果采用多个复杂的机械传动装置，都将由于其复杂化和高成本而限制其实际应用。

【发明内容】

本发明的目的就是要克服上述现有技术的不足，提供一种包含多个移相器在内的一体化集成式差分相位连续可变的波束形成网络，同时形成多路连续可变的差分相位输出，且多路信号的功率电平可呈等幅(幅度不加权)或不等幅(幅度加权)输出，并保证其结构简单可靠、尺寸体积小、制造简单、成本低廉，可直接应用于连续可调的波束电下倾基站天线。

本发明的目的是通过如下技术方案实现的：

本发明差分相位连续可变的波束形成网络，包括金属腔体以及位于金属腔体内的一分为二的功分器组和若干移相器，功分器组包括有一主功分器和若干从功分器，所述主功分器的每个输出端均电气连接一个移相器的输入端，部分移相器的输出端与一从功分器的合成端电气连接，每一从功分器的一个输出端均与一移相器的输入端电性连接，另一个输出端和所述主功分器的合成端均被电气连接至金属腔体外，其中，所述各移相器根据移相的正反方向不同被分别布设在金属腔体内两侧，两侧移相器之间设有与各移相器连接的绝缘件，绝缘件上连设有介质杆，所述金属腔体设有供操作该介质杆的操作孔。

所述功分器组还可包括一前置功分器，其一个输出端与所述主功分器的合成端电气连接，其另外一个输出端以及合成端则被电气连接至金属腔体外。

所述绝缘体的两侧设有若干带卡口的突出夹具，所述夹具卡住所述各移相器的可移动部分以实现绝缘体与移相器之间的连接。

所述介质杆与绝缘体物理连接并从绝缘体的一侧伸出该操作孔。

所述移相器包括可移动传输线和分别作为输入和输出端使用的一对固定传输线，所述可移动传输线整体呈“U”型，各固定传输线一端设有纵长的槽孔，所述可移动传输线的两臂分别置于各固定传输线的槽孔内，所述可移动传输线两臂在置于各固定传输线(411，413)的槽孔内的部分的横截面均呈矩形，各固定传输线槽孔处的横截面呈有且仅有一条边被去除的矩形框状。

所述可移动传输线与所述固定传输线不相接触以保持以电容耦合方式传输信号。

所述可移动传输线的表面涂覆有耐高温和耐高功率的防护层。

所述防护层为聚四氟乙烯。

与所述移相器的“U”型面平行的金属腔体的两内壁面在“U”型部件非投影处设有凸起部。

在移相器的“U”型面所对应的金属腔体的两内壁面，所述可移动传输线所对应的一个金属腔体的两内壁表面位置相对所述的固定传输线所对应的金属腔体的两内壁表面位置凸起。

与现有技术相比较，本发明的优点在于：包含所有功分器和移相器在内的波束形成网络实现了结构一体化集成，在实现移相的同时又实现了特殊的功率幅度加权，且结构简单可靠、尺寸体积小、制造简单、成本低廉。同时，移相器的移动部分和固定部分的金属采用了非接触式的电容耦合信号传输，从而抑制了无源互调产物以及高功率打火现象。

【附图说明】

图1为现有技术中相控阵雷达天线的原理示意图；

图2为现有技术中一个“U”型移相器的示意图；

图3为图2中3-3剖面的投影效果图；

图4为现有技术中一个功率合成与分配网络的平面结构示意图；

图5为本发明中改进的“U”移相器元件三维结构示意图；

图6为本发明的第一实施例的原理示意图；

图7为第一实施例图6对应的结构示意图，其中金属腔体被剖开；

图8为图5或图7结构中8-8剖面示意图；

图9为图5或图7结构中9-9剖面示意图；

图10为第二实施例结构的剖面示意图，其中金属腔体被剖开；

图11为第三实施例结构的剖面示意图，其中金属腔体被剖开；

图12为图8结构的一个改型示意图；

图13为图8结构的另一个改型示意图。

【具体实施方式】

下面结合附图和实施例对本发明作进一步的说明：

第一实施例：

请参阅图6和图7，本发明差分相位连续可变的波束形成网络70一体化集成设计于金属腔体108内部。其中包括：

由4个功分器即前置功分器71、主功分器72以及从功分器73、74组成的功分器组；4个移相器81，82，83，84；一个绝缘件111；一个介质杆110；6个外接端口60、61、62、63、64、65。

所述功分器组中，前置功分器71由带状线221，222，223组成，带状线221作为合成端，带状线222，223作为输出端，带状线221的信号分配至带状线222，223二个臂输出，众所周知，带状线221，222，223各自的长度和宽度决定了所需要的功率分配比，也决定了特定工作频带上的阻抗匹配特性；

类似地，主功分器72由带状线223，224，225组成，带状线223作为合成端，带状线224，225作为输出端，带状线223的信号分配至带状线224，225二个臂输出，带状线223，224，225各自的长度和宽度也决定了其所需要的功率分配比和特定工作频带上的阻抗匹配特性；

同样，从功分器73由带状线241，242，243组成，带状线241作为合成端，带状线242，243作为输出端，带状线241的信号分配至242和243二个臂输出，带状线241，242，243各自的长度和宽度也决定了其所需要的功率分配比和特定工作频带上的阻抗匹配特性；

最后，从功分器74由带状线244，245，246组成，带状线244作为合成端，带状线245，246作为输出端，带状线244的信号分配至带状线245，246二个臂输出，带状线244，245，246各自的长度和宽度也决定了其所需要的功率分配比和特定工作频带上的阻抗匹配特性。

所述各移相器81，82，83，84根据移相的正反方向不同被分别布设在金属腔体内两侧。

移相器81由可移动传输线412(参见图5，下同)和分别用带状线224，241作为输入端和输出端的固定传输线411，413(参见图5，下同)组成，移相器81实现主功分器72的输出端带状线224和从功分器73的合成端带状线241的电气连接以便传输互连；

类似地，移相器82由可移动传输线412和分别用带状线225，244作为输入端和输出端的固定传输线411，413组成，移相器82实现主功分器72的输出端带状线225和从功分器74的合成端带状线244的电气连接以便传输互连；

同样，移相器83由可移动传输线412和分别用带状线243，251作为输入端和输出端的固定传输线411，413组成，移相器83实现从功分器73的输出端带状线243和带状线251的电气连接以便传输互连；

最后，移相器84由可移动传输线412和分别用带状线245，252作为输入端和输出端的固定传输线411，413组成，移相器84实现从功分器74的输出端带状线245和带状线252的电气连接以便传输互连。

上述4个移相器81，82，83，84采用图5中所揭示的结构：

每个固定传输线411，413一端设有纵长的槽孔，其槽孔处的横截面呈有且仅有一条边被去除的矩形框状，形同小“u”型，其剩余部分的横截面则可呈圆形或方形等。所述可移动传输线412的两臂的横截面均呈矩形，分别置于每个固定传输线411，413的槽孔内，连接于可移动传输线412两臂之间的中间段的横截面则可呈圆形、矩形等。

为了保证本发明中可移动传输线412在移动时传输线的阻抗特性与图2中圆柱形传输线的性能等效，所述可移动传输线412两臂需要定位于所述固定传输线411，413的矩形框即小“u”型槽内，并且可移动传输线412的上边缘不得突出于固定传输线411，413的小“u”型槽的上边缘。

为了抑制移相器的无源互调产物，可移动传输线412与固定传输线411，413采用非接触的电容耦合方式传输信号。

为了限定可移动传输线412与固定传输线411，413的相对位置，同时为了实现移相器的高功率容量，在可移动传输线的表面涂覆了一层耐高温和耐高功率的防护层，该防护层可采用公知的聚四氟乙烯作为介质材料。如此，可以根据可移动传输线412的外轮廓尺寸和防护层厚度来恰如其分地设计固定传输线411，413的小“u”型槽尺寸。

结合图5、图7和图8，在移相器的“U”型面平行的金属腔体108的两内壁面的“U”型部件非投影处设有凸起部421，相对于原来的腔体内壁位置422，凸起的内壁位置421有利于隔离平行的固定传输线411和固定传输线413之间的信号耦合，或者说，在同等信号隔离的情况下，固定传输线411和固定传输线413之间距离可以拉近，如此，在保证电性能的前提下可以缩小腔体108的体积。

结合图5、图7和图9，可移动传输线412所对应的金属腔体108的上下内壁表面位置423相对于固定传输线411，413所对应的金属腔体108的上下内壁表面位置422凸起，如此，可以补偿由于可移动传输线412横截面变小带来的特性阻抗的变大，以及补偿由于固定传输线411，413与可移动传输线412之间过渡产生的阻抗特性突变。

结合图5、图7、图12和图13，所述固定传输线411’和可移动传输线412’可被压扁为长方形结构，此时，只要可移动传输线412的右侧面或上侧面不超出固定传输线411’矩形框状的右边缘或上边缘，同样可以设计出满足电性能要求的移相器，如此，金属腔体108的厚度H可以进一步缩小。

参阅图7，所述的6个外接端口60、61、62、63、64、65均设置在金属腔体108的外壳上，分别为功率合成端60、第一分配端61、第二分配端62、第三分配端63、第四分配端64和第五分配端65。

前置功分器71的合成端带状线221通过外部同轴线电气连接至功率合成端60，第一分配端61、第二分配端62、第三分配端63、第四分配端64和第五分配端65分别通过外部同轴线与带状线251、242、222、246、252电气连接。

所述绝缘件111呈长方形结构，也可呈其它几何结构。绝缘件111的左右两边设计有多个带卡口的突出夹具112，夹具112分别卡住各移相器81，82，83，84的各可移动传输线412(参见图5)。

所述介质杆110由金属腔体108侧边上预设的一个操作孔109穿入并连接至绝缘件111，介质杆110与绝缘件111最好一体化以便进行可靠的操作。如图7所示，当介质杆110左右移动时，带动绝缘件111移动，于是便带动各移相器81，82，83，84的可移动传输线412(参见图5，下同)同步移动。假设介质杆110从左往右移动，带动移相器81的可移动传输线412增加一个长度，相应地会产生一个差分相位-Δ。类似地，也带动移相器83的可移动传输线增加一个同样的长度，相应地也产生一个同样的差分相位-Δ。同时，带动移相器82和84的可移动传输线分别缩短一个同样的长度，相应地移相器82和84的可移动传输线也分别产生一个相反的差分相位+Δ。

于是，功率合成端60至第一分配端61的传输信号经过移相器81和83，产生-2Δ的差分相位。

功率合成端60至第二分配端62的传输信号经过移相器81，产生-Δ的差分相位。

功率合成端60至第三分配端63的传输信号未经过移相器，产生的差分相位为0。

功率合成端60至第四分配端64的传输信号经过移相器82，产生+Δ的差分相位。

功率合成端60至第五分配端65的传输信号经过移相器82和84，产生+2Δ的差分相位。

如此，5个功率分配端61、62、63、64、65的差分相位依次为-2Δ、-Δ、0、+Δ、+2Δ，当5个功率分配端分别连接至5个或10(其中每相邻2个单元作为一个子阵并联接入)天线辐射单元组成的基站天线时，移动介质杆110，天线方向图波束指向即产生连续扫描(或波束下倾)。

图7中4个简单的功分器组成的功分器组71、72、73、74还可按照需求设计具体的功率分配比，使得在5个分配端61、62、63、64、65获得功率电平呈等幅或不等幅的输出信号。

第二实施例：

请参阅图10，第二实施例相对第一实施例的改进之处在于：主功分器72的合成端带状线221直接与功率合成端601通过同轴电线实现电气连接，前置功分器被弃置，相应地，功率分配端口仅剩4个，分别为61，62，64，65。如此，根据上述第一实施例的描述，类似地可得到功率合成端601至4个功率分配端61、62、64、65的差分相位依次为-2Δ、-Δ、+Δ、+2Δ，结合金属腔体108之外预设的另一前置功分器71(未图示，可参阅图7)的功率分配端的0差分相位输出，同样可得到5个差分相位依次为-2Δ、-Δ、0、+Δ、+2Δ的移相输出。如此，第一实施例中金属腔体108内部原来的前置功分器71(参见图7)，由于是不对称和不等功分结构，它既受限于体积又受限于必需的带状线设计方案，而在第二实施例中可将原有的前置功分器71(参见图7)转移为预设在金属腔体108之外后，则可以采用不受限制的多种方案予以灵活设计。

本施例可应用于5个或10(其中每相邻2个单元作为一个子阵并联接入)天线辐射单元组成的基站天线。

请再参阅图11，其为本发明的第三实施例，本实施例为第二实施例和第一实施例的改型，它产生4个差分相位输出。其与第二实施例的不同在于：图11的第三实施例中，移相器82被去除，主功分器72的右侧输出端的带状线225直接与从功分器74的合成端带状线244互连。于是，由于图11中3个移相器81、83、84的作用，从功率合成端60至4个功率分配端66、67、68、69的差分相位输出将依次为-2Δ、-Δ、0、+Δ。显然，4路相位输出依然满足等差分的关系。

第三实施例所述的差分相位连续可变的波束形成网络可应用于4个或8(其中每相邻2个单元作为一个子阵并联接入)天线辐射单元组成的基站天线。

以此类推，本发明还可依据同等原理进行扩展。

上述实施例构成的差分相位连续可变的波束形成网络，实现了功分器和移相器结构的一体化，并形成多路连续可变的差分相位输出，具有无源互调低、功率容量高的特点，同时结构简单可靠、尺寸体积小、制造简单、成本低廉，可直接应用于各个工作频段上的连续可调的波束电下倾基站天线，在蜂窝移动通信系统中具有广泛的应用价值。

Claims (9)

1、一种差分相位连续可变的波束形成网络，包括金属腔体(108)以及位于金属腔体(108)内的一分为二的功分器组(71，72，73，74)和若干移相器(81，82，83，84)，功分器组(71，72，73，74)包括有一主功分器(72)和若干从功分器(73，74)，所述主功分器(72)的每个输出端均电性连接一个移相器(81，82)的输入端，部分移相器(81，82)的输出端与一从功分器(73，74)的合成端电性连接，每一从功分器(73，74)的一个输出端均与一移相器(83，84)的输入端电性连接，另一个输出端和所述主功分器(72)的合成端均被电气连接至金属腔体(108)外，其特征在于：所述移相器(81，82，83，84)包括可移动传输线(412)和分别作为输入和输出端使用的一对固定传输线(411，413)，所述可移动传输线(412)整体呈“U”型，各固定传输线(411、413)一端设有纵长的槽孔，所述可移动传输线(412)的两臂分别置于各固定传输线(411，413)的槽孔内，所述可移动传输线(412)两臂在置于各固定传输线(411，413)的槽孔内的部分的横截面均呈矩形，各固定传输线(411，413)槽孔处的横截面呈有且仅有一条边被去除的矩形框状；所述各移相器(81，82，83，84)根据移相的正反方向不同被分别布设在金属腔体(108)内两侧，两侧移相器(81，82，83，84)之间设有与各移相器(81，82，83，84)的可移动传输线(412)连接的绝缘件(111)，绝缘件(111)上连设有介质杆(110)，所述金属腔体(108)设有供操作该介质杆(110)的操作孔(109)。

2、根据权利要求1所述的差分相位连续可变的波束形成网络，其特征在于：所述功分器组(71，72，73，74)还包括一前置功分器(71)，其一个输出端与所述主功分器(72)的合成端电气连接，其另外一个输出端以及合成端则被电气连接至金属腔体(108)外。

3、根据权利要求1或2所述的差分相位连续可变的波束形成网络，其特征在于：所述绝缘体(111)的两侧设有若干带卡口的突出夹具(112)，所述夹具(112)分别卡住所述各移相器(81，82，83，84)的可移动传输线(412)以实现绝缘体(111)与各移相器(81，82，83，84)之间的连接。

4、根据权利要求3所述的差分相位连续可变的波束形成网络，其特征在于：所述介质杆(110)与绝缘体(111)物理连接并从绝缘体(111)的一侧伸出操作孔(109)。

5、根据权利要求1所述的相位连续可变的移相器，其特征在于：所述可移动传输线(412)与所述固定传输线(411，413)不相接触以保持以电容耦合方式传输信号。

6、根据权利要求5所述的相位连续可变的移相器，其特征在于：所述可移动传输线(412)的表面涂覆有耐高温和耐高功率的防护层。

7、根据权利要求6所述的相位连续可变的移相器，其特征在于：所述防护层为聚四氟乙烯。

8、根据权利要求7所述的相位连续可变的移相器，其特征在于：与所述移相器的“U”型面平行的金属腔体(108)的两内壁面设有凸起部(421)，在固定传输线(411，413)的横截面上，所述凸起部(421)与固定传输线(411，413)在空间错开设置。

9、根据权利要求8所述的相位连续可变的移相器，其特征在于：与所述移相器的“U”型面平行的金属腔体(108)的两内壁面在与该移相器的移动传输线(412)垂直重叠处(423)相对于与固定传输线(411，123)垂直重叠处(422)向腔内凸起。

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