CN101174729A - 电调天线双侧对称弧臂移相器 - Google Patents

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Abstract

本发明提供电调天线双侧对称弧臂移相器，包括弧臂、旋转臂、馈线，大、小两条弧臂对称地位于两个同心圆上，圆心为旋转点，大弧臂与小弧臂的半径比为2∶1，旋转臂悬置在馈线和两条弧臂的上方，旋转臂包括直段、拐角段，所述拐角段一端与直段的中心对称位置处呈T型连接，拐角段另一端与馈线在旋转点处悬置连接，旋转臂的直段两端部与两条弧臂分别采用T型悬置连接；所述旋转点与旋转臂两端部位于同一直线上；馈线输入端口与馈源连接，两条弧臂的四个输出端口分别与天线阵辐射单元相应连接。本发明结构简单，性能稳定，可以有效地控制和调整天线阵各辐射单元间的相位差，并保证各输出端口的等功率输出。

Description

电调天线双侧对称弧臂移相器
技术领域
本发明涉及基站电调天线设备技术，具体是指电调天线双侧对称弧臂移相器。
背景技术
基站是移动通信系统的一个重要组成部分。天线是基站的“耳目”，是基站前端关键部件，起着接收和发射信号载波的作用。在移动通信网络中，天线直接决定着基站网络的覆盖和信号传输，对于移动通信系统的运行质量至关重要。随着移动通信系统2.5G和3G系统的发展和普及，城市内基站分布越来越密集，通信频段越来越多，这些直接带来了基站之间干扰等问题。同时，随着城市建设的发展，高楼大厦不断崛起，造成无线电波多重反射和遮挡，使得通信网络中导频污染、越区覆盖、多径效应日益严重。如何解决上述问题已成为基站网络分布与优化的关键问题。
研究和试验已经表明，采用多频电调天线是解决上述问题的一个最佳方案。电调天线通过移相器改变天线阵中单元的相位分布，实现天线波束下倾角连续可调，因此，可以有效地控制基站覆盖区域，减少基站间的干扰，降低电波传输损耗，消除导频污染。作为电调天线的关键部件，移相器必须具有成本低、可靠性高且复杂度低的特点。
信号相移的方法有多种，如使用诸如PIN二极管之类的半导体装置的电调移相器，但这类移相器容易引起相互调制，而且功率容量有限，需要复杂的控制电路、成本高。因此在基站电调天线中很少使用。另一种方法是改变天线阵各个单元馈线之间的电长度以形成各单元间相位差可调。目前，应用于电调天线中的移相器主要有三种类型：一种是介质移相器，通过改变馈线材料的介电常数，介电常数的改变导致波长变化，进而导致馈线电长度的变化；第二种是滑动式移相器，通过滑动的方式，改变馈线的长度实现馈线电长度的变化；第三种是指针式移相器，其结构类似于功率分配器，只是采用了指针式的悬置T型接头，随着指针的旋转，功分器的各输出端口相位差发生变化，各输出端口接天线阵单元，因此可以改变各单元间相位差。
1、介质移相器
(1-1)圆形带状线介质移相器(1971年IEEE Trans MTT)
其通过转动一个不均匀的介质圆盘，带状线的介电常数发生变化，于是线性相位变化，而特性阻抗将保持不变，因此不会产生大的反射。这种移相器构造比较巧妙，但是造价过高。如要实现5个单元的电调天线的相位变化，需要移相器个数较多，不利于工程应用。
(1-2)三角介质移相器(2001年日本Naoki HONMA)
其通过三角状的介质板在微带线上滑动，所覆盖的各条馈线的有效介电常数发生不同的变化，造成其电长度不同变化，于是，各条馈线产生不同的相位延迟。这种移相器结构简单，但是不够稳定，三角形的切斜边和对基片的契合程度都严重影响移相器的特性。
(1-3)集成多线移相器(KMW公司)
其随着转盘的旋转，覆盖各传输线的介质将不同，因此，各路的相位发生变化。这种移相器能够同时集成多条传输线，并且保持很低的插入损耗和驻波比。但结构复杂，需要特殊的介质材料，成本高。
2、滑动式移相器
(2-1)T型滑动式移相器(中国专利申请号：02139334.6，2003.1.22)
其通过控制滑动机构连续移动的路径长度，控制输出信号分量的相位差。该移相器包括介质片、滑片、耦合片、传输线板，通过改变滑片的长度获得不同范围的波束扫描角度，用该移相器可对多元天线阵的辐射波束调节。
但是，这种结构对介质板滑动中对上下层的连接要求很高。介质板的移动将导致各相关传输线的阻抗变化，对于功率分配有影响。而且这种装置的尺寸较大，限于电调天线尺寸所能进行介电常数变化的传输线不能很长，导致整个相移量有限。
(2-2)U型滑动式移相器(中国专利申请号：00815637.9，2003.1.8，国际申请号：PCT/IB00/00739 2000.5.22)
这种移相器由固定传输线和滑动传输线组成，固定传输线的内导体由一端短路另一端开路的平行导体臂组成，滑动传输线的内导体嵌入在固定传输线内导体平行臂之间，可以滑动，如图5所示。这样，通过滑动内导体，改变传输线长度，实现移相。内导体可以配置成了分支结构，实现等功率的分配。这种移相器的缺点是尺寸较大。
3、指针式移相器：
(3-1)一进二出指针式移相器(中国专利申请号02803184.9)
在这种天线装置中使用了两个移相器分别控制至少两组天线辐射单元，如图6所示。移相器通过可旋转的传输线(指针)把输入传输线(馈线)与弧形输出传输线(弧臂)通过缝隙耦合连接为一体，构成悬置T形分支等功率分配器。随着指针的旋转，从馈线到两个输出端口的路径长度发生变化，产生相位变化，但功率分配保持不变。这种移相器的结构简单，成本低。但要实现多路移相，需要多个移相器。
(3-2)一进四出指针式移相器(中国专利申请号00802132.5)
这种移相器是上述两个一进二出移相器的组合。一条指针与两条同心等弧的弧臂耦合，形成一进四出的功分器，大弧和小弧的半径之比为2∶1，保证了四个端口的等相位差输出，如图7所示。随着指针的旋转，从馈线到四个输出端口的路径长度发生变化，产生相位变化。双弧臂都被安装在旋转点的同一侧，这样设计的好处是可以节省安装空间，但是也有其弊端。由于第二条弧臂的耦合电流必须先经过第一条弧臂，而此两者之间的功率分配仅仅依靠中段的匹配电路实现等分，因此非常难实现，对于电调天线的传输特性和驻波比都有比较大的影响。
(3-3)一进五出指针式移相器(美国专利申请号：US20050001778A1)
这种移相器是上述一进四出移相器与一个固定的一分二T形分支的组合，形成一进五出。固定分支的功率分配为1∶4，如图8所示。这种移相器的结构更加紧凑，但设计难度也更大，更难以实现等功率分配。
总而言之，现有的指针式移相器的缺陷在于对于多路输出虽然可以实现各路的等差相移，但难以保证各输出端口的等功率分配，因而可能造成电调天线方向图的畸变。
发明内容
本发明的目的在于克服上述现有技术的缺点和不足，提出一种电调天线双侧对称弧臂移相器，其结构简单，在使用多个辐射单元的天线阵情况下，可以有效地控制和调整各辐射单元间的相位差，并保证各输出端口的等功率输出；同时，使移相器旋转臂转动时，保持结构的对称性，从而保证移相器性能的稳定。
本发明的目的通过下述技术方案实现：本电调天线双侧对称弧臂移相器，包括弧臂、旋转臂、馈线，大、小两条弧臂对称地位于两个同心圆上，圆心为旋转点，大弧臂与小弧臂的半径比为2∶1，旋转臂悬置在馈线和两条弧臂的上方，旋转臂包括直段、拐角段，所述拐角段一端与直段的中心对称位置处呈T型连接，拐角段另一端与馈线在旋转点处悬置连接，旋转臂的直段两端部与两条弧臂分别采用T型悬置连接；所述旋转点与旋转臂两端部位于同一直线上；馈线输入端口与馈源连接，两条弧臂的四个输出端口分别与天线阵辐射单元相应连接。
旋转臂是所发明的移相器的关键部件，它是实现把输入信号等功率地分配给四个输出端口同时又保持各输出端口信号之间的相位能够等差变化的桥梁。本发明中的旋转臂是一种特殊结构的T型分支，这种结构的T型分支把旋转点与分支接头点分离，使得转动时旋转臂始终保持为直角T型接头，保证了旋转时从馈线来的功率始终保持对称分配到两个弧臂，形成等弧反向对称馈电结构。如果旋转点与分支接头点重合，馈线与旋转臂的角度必然会随着旋转臂转动而变化，造成的功率分配的变化。为更好地实现本发明，所述旋转臂的各部分还兼具阻抗匹配的作用，可以通过调节各部分的宽度和长度实现宽带阻抗匹配。
所述旋转臂的各部分分别由传输线组成，传输线可以是带状线、微带线，也可以是同轴线或共面波导。
所述拐角段另一端与馈线在旋转点处悬置连接，包括间隙耦合(边馈式)或同轴激励(中馈式)。边馈式采用带状线或微带线从移相器边缘馈电方式。馈源臂采用U形设计，使得在旋转臂围绕旋转点旋转时，旋转臂与馈线之间的夹角不会太小，使得旋转过程中输入阻抗特性变化不大，容易实现旋转臂大范围旋转时的阻抗匹配。
中馈式采用同轴线直接从旋转点馈电的方式，这种结构的好处是不管旋转臂处于何种角度，对旋转点来说结构都是一样的，有利于实现旋转臂大范围旋转时的阻抗匹配。
所述T型悬置连接是实现旋转臂在旋转过程中能够有效地把信号从旋转臂耦合到弧臂的关键结构。为了保证旋转臂灵活转动同时避免产生无源三阶交调，接头处旋转臂与弧臂不能直接接触，必须采用悬置结构。为了能够有效地耦合能量，本发明中的T型悬置连接是指旋转臂直段端部与弧臂为上、下两层垂直设置，旋转臂直段端部与弧臂之间设有介质，旋转臂直段端部通过该介质在弧臂上滑动连接。旋转臂和弧臂可以采取带状线或微带，这样两部分的金属导带都具有平面状表面，便于旋转臂旋转滑动。旋转臂和弧臂之间由介质片或缝隙相隔开，形成导体电容耦合，这样可将可能由金属之间直接接触引起地相互调制减至最小。
所述T型悬置连接可以采用带状线U型双片T型悬置连接、带状线单片T型悬置连接或微带T型悬置连接。
本电调天线双侧对称弧臂移相器的输入、输出端口通过同轴-微带转化接头与同轴线相连接。
本电调天线双侧对称弧臂移相器设置在一块金属母板上，该金属母板由天线的反射器构成，另外再通过一块金属盖板屏蔽，上、下两块金属母板之间用金属封闭。防止信号能量的外泄。
本发明的工作原理是：本发明的技术关键是采用了由三个T型分支构成的双侧对称功分馈电网络，实现了一端口输入信号，四端口输出信号的多端口移相器。
本电调天线双侧对称弧臂移相器由一个直臂T型分支和二个弧臂悬置T型分支组成。输入信号从输入端口(端口1)输入，沿馈线传输，通过直臂T型分支将信号等功率地分配到两个弧臂T型分支，最后通过两个弧臂一分四地从四个输出端口(端口2、3、4、5)等功率输出。在旋转点和T型悬置连接结构位置，信号通过间隙耦合传输，这样既保证了机械转动，也避免了产生无源三阶交调。各输出端口连接电调天线阵的各个辐射单元。两条弧臂对称地位于两个同心圆上，圆心为旋转点，大弧臂与小弧臂的半径比为N，这样当旋转臂转动时，从T型悬置连接结构到大弧臂、小弧臂输出端口之间的长度差变化始终保持为N，这样就保证了旋转臂旋转时电调天线各单元间的相位始终保持等差变化，以实现电调天线下倾角的连续可调。
本发明与现有技术相比，具有如下优点和有益效果：
(1)本发明与现有技术相比，利用对称双侧弧臂结构，形成由三个T型分支构成的对称功分馈电网络，实现了一个端口输入四个端口等功率输出同时各输出端口间相位差等差变化的移相器结构，保证了宽频带大旋转角度情况下的良好阻抗匹配。将所发明的移相器与天线阵列单元适当连接可以实现电调天线下倾角的较大幅度变化。
(2)除了弧形输出臂外，本发明的T型旋转臂和U型馈线更有利于信号功率的等分和旋转臂旋转时输出信号幅度的稳定。由于物理结构基本完全对称，从旋转点延伸到不同输出端口的路径和耦合结构基本相等，因此功率很容易形成四等分，并且随着旋转臂的旋转形成各端口输出信号相位差的等差变化。
附图说明
图1是本发明电调天线双侧对称弧臂移相器(边馈式)的结构俯视图。
图2是本发明电调天线双侧对称弧臂移相器(中馈式)的结构俯视图。
图3是带状线U型双片T型悬置连接的结构示意图。
图4是带状线U型双片T型悬置连接的结构侧视图。
图5是带状线单片T型悬置连接的结构示意图。
图6是带状线单片T型悬置连接的结构侧视图。
图7是微带T型悬置连接的结构示意图。
具体实施方式
下面结合实施例及附图，对本实用新型作进一步地详细说明，但本实用新型的实施方式不限于此。
实施例
如图1、2所示，本电调天线双侧对称弧臂移相器，包括弧臂、旋转臂、馈线9，大、小两条弧臂14、13对称地位于两个同心圆上，圆心为旋转点6，大弧臂14与小弧臂13的半径比为2∶1，旋转臂悬置在馈线9和两条弧臂14、13的上方，旋转臂包括直段10、拐角段7，拐角段7一端与直段的中心对称位置处8呈T型连接，拐角段7另一端与馈线9在旋转点6处采用间隙耦合(边馈式)或同轴激励(中馈式)悬置连接，旋转臂的直段10两端部11、12与两条弧臂13、14分别采用T型悬置连接；所述旋转点6与旋转臂11、12两端部位于同一直线上；馈线输入端口1与馈源连接，两条弧臂的输出端口2、3、4、5分别与天线阵辐射单元相应连接。
对于边馈式移相器，馈线9和旋转臂拐角段7之间用介质螺钉固定在旋转点6处。其中旋转臂的一端可以用介质条延伸至一条拉杆上，通过拉动拉杆改变旋转臂的角度。在旋转点6，馈线9的端点和旋转臂拐角段7的端点都做成半圆形，避免转动时出现棱角而造成不连续性。
旋转臂的各部分还兼具阻抗匹配的作用，可以通过调节各部分的宽度和长度实现宽带阻抗匹配。旋转臂的各部分分别由传输线组成，传输线可以是带状线、微带线，也可以是同轴线或共面波导。
T型悬置连接是指旋转臂直段端部与弧臂为上、下两层垂直设置，旋转臂直段端部与弧臂之间设有介质，旋转臂直段端部通过该介质在弧臂上滑动连接。T型悬置连接可以采用带状线U型双片T型悬置连接、带状线单片T型悬置连接或微带T型悬置连接。
其中，带状线U型双片T型悬置连接的结构如图3和图4所示，上下两层为金属板组成的地15，中间为上、下层设置并互相垂直的两根带状线，分别为旋转臂10和弧臂16；其中上层的旋转臂10的端部做成双片U型结构17，将下层的带状线16卡在中间。但它们彼此之间并不接触，而是通过一个也为U型结构的介质片18进行信号能量的耦合，避免金属的直接接触。通过旋转臂的转动，旋转臂端部和弧臂的耦合位置发生变化，从而改变了移相器各个端口的传送路径的实际长度，进而达到改变各端口输出相位变化的目的。
带状线单片T型悬置连接的结构如图5和图6所示，与带状线U型双片T型悬置连接的结构所不同的是旋转臂10端部和弧臂16之间仅仅由介质片19隔离，避免两者直接接触。
微带T型悬置连接的结构如图7所示，它由上下两层介质基片20和23(即分别为旋转臂和弧臂)构成，上层介质基片上有T型金属导带分布21、24，下层介质基片上表面分布有与21垂直与24平行的金属导带22，下层介质基片的下表面为金属构成的地25。导带24是为了加强导带21与22的耦合。上层介质基片可以滑动。
本电调天线双侧对称弧臂移相器的输入、输出端口通过同轴-微带转化接头与同轴线相连接。
本电调天线双侧对称弧臂移相器设置在一块金属母板上，该金属母板由天线的反射器构成，另外再通过一块金属盖板屏蔽，上、下两块金属母板之间用金属封闭，防止信号能量的外泄。
本电调天线双侧对称弧臂移相器的工作过程是：如图1、2所示，输入信号从输入端口1输入，沿馈线9传输，在旋转点6通过间隙耦合(边馈式)或同轴激励(中馈式)，再经过拐角7，传输至旋转臂直段的中心对称位置处8，将信号功率一分为二，通过直段10传至直段两端部11、12，直段两端部11、12与两条弧臂13、14分别通过T型悬置连接进行间隙耦合，分别把信号功率再一分为二地耦合到小弧臂13和大弧臂14，最后通过大小两个弧臂14、13输入信号功率一分为四地从四个输出端口2、3、4、5等功率输出，最终分别传送给天线阵的相应辐射单元。
如上所述，便可较好地实现本发明，上述实施例仅为本发明的较佳实施例，并非用来限定本发明的实施范围；即凡依本发明内容所作的均等变化与修饰，都为本发明权利要求所要求保护的范围所涵盖。

Claims (9)

1.电调天线双侧对称弧臂移相器，其特征在于：包括弧臂、旋转臂、馈线，大、小两条弧臂对称地位于两个同心圆上，圆心为旋转点，大弧臂与小弧臂的半径比为2∶1，旋转臂悬置在馈线和两条弧臂的上方，旋转臂包括直段、拐角段，所述拐角段一端与直段的中心对称位置处呈T型连接，拐角段另一端与馈线在旋转点处悬置连接，旋转臂的直段两端部与两条弧臂分别采用T型悬置连接；所述旋转点与旋转臂两端部位于同一直线上；馈线输入端口与馈源连接，两条弧臂的四个输出端口分别与天线阵辐射单元相应连接。
2.根据权利要求1所述电调天线双侧对称弧臂移相器，其特征在于：所述旋转臂的各部分的宽度和长度可调。
3.根据权利要求1所述电调天线双侧对称弧臂移相器，其特征在于：所述旋转臂的各部分分别由传输线组成。
4.根据权利要求3所述电调天线双侧对称弧臂移相器，其特征在于：所述传输线为带状线、微带线、同轴线或者共面波导。
5.根据权利要求1所述电调天线双侧对称弧臂移相器，其特征在于：所述拐角段另一端与馈线在旋转点处悬置连接，包括间隙耦合(边馈式)或同轴激励(中馈式)。
6.根据权利要求1所述电调天线双侧对称弧臂移相器，其特征在于：所述T型悬置连接，是指旋转臂直段端部与弧臂为上、下两层垂直设置，旋转臂直段端部与弧臂之间设有介质，旋转臂直段端部通过该介质在弧臂上滑动连接。
7.根据权利要求6所述电调天线双侧对称弧臂移相器，其特征在于：所述T型悬置连接包括带状线U型双片T型悬置连接、带状线单片T型悬置连接或微带T型悬置连接。
8.根据权利要求1所述电调天线双侧对称弧臂移相器，其特征在于：所述输入、输出端口通过同轴-微带转化接头与同轴线相连接。
9.根据权利要求1所述电调天线双侧对称弧臂移相器，其特征在于：所述电调天线双侧对称弧臂移相器设置在一块金属母板上，该金属母板由天线的反射器构成，另外再通过一块金属盖板屏蔽，上、下两块金属母板之间用金属封闭。
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PB01 Publication
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WD01 Invention patent application deemed withdrawn after publication

Open date: 20080507