CN101578737B

CN101578737B - 具有电倾斜控制的相控阵天线系统

Info

Publication number: CN101578737B
Application number: CN2007800496594A
Authority: CN
Inventors: P·E·哈斯克尔; L·D·托马斯
Original assignee: Quintel Technology Ltd
Current assignee: Quintel Technology Ltd
Priority date: 2006-11-10
Filing date: 2007-11-07
Publication date: 2013-08-28
Anticipated expiration: 2027-11-07
Also published as: JP2010509823A; US9252485B2; US20160352010A1; WO2008056127A1; GB0622411D0; US10211529B2; US20090322610A1; EP2092601B1; EP2092601A1; CN101578737A

Abstract

一种具有电倾斜控制的相控阵天线系统，其合并了用于将输入信号分离成三个中间信号的倾斜控制器(62)，所述三个中间信号的两个相对于第三个中间信号被可变延迟器T 1和T2延迟。共电馈电(64)包含分离器S2到S10和混合器H1到H6，用于处理中间信号以产生天线阵列(66)的单元的驱动信号；该驱动信号是中间信号的部分和矢量组合。响应于两个中间信号相对于第三中间信号的可变延迟，倾斜控制器(62)和共电馈电(64)结合施加相对定相到驱动信号以适用于相控阵射束转向。

Description

具有电倾斜控制的相控阵天线系统

技术领域

本发明涉及具有电倾斜控制的相控阵天线系统。

背景技术

天线系统适合用于电信和雷达中的许多相控阵应用，但还发现在通常被称为移动电话网络的蜂窝移动无线电网络中的特定应用(尽管不限于此)。更具体地，但是在不限制的情况下，本发明的天线系统可以被用于诸如GSM、CDMA(IS95)、D-AMPS(IS136)和PCS系统的第二代(2G)移动电话网络和诸如通用移动电话系统(UMTS)的第三代(3G)移动电话网络以及其他蜂窝系统。

在蜂窝移动无线电网络中使用相控阵天线是公知的，这样的天线包括阵列(通常是八个或更多个)单独的天线单元(例如偶极子或贴片(patch))。天线具有包含主瓣和旁瓣的辐射图。主瓣的中心是处于接收模式的天线的最大灵敏度方向，并且是处于发射模式的其主要输出辐射束的中心方向。相控阵天线的公知特性是，如果天线单元接收的信号被延迟一个随着天线单元离阵列边缘的距离而变化的延迟，那么天线主辐射束朝着增加延迟的方向转向(steer)。对应于延迟的零变化和非零变化的主辐射束中心之间的角度(即倾斜角)，依赖于延迟T随横过阵列的距离x的变化率dT/dx:dT/dx可以是常数或稍微有点变化以提高本领域公知的射束特性。

通过改变信号相位以及由此改变相控阵表示可以等效地实现延迟。因此可以通过调节馈送到天线单元的信号之间的相位关系来改变天线方向图的主射束。这允许天线被转向例如以改变天线的地面覆盖范围。在该说明书中，术语‘移相器’和‘时间延迟设备’或‘延迟设备’或‘延迟器(delay)’被用于表示同样的意思。这些术语被用在电信业并且移相器和时间延迟设备二者在相同频率处实现同样的倾斜。

蜂窝移动无线电网络的相控阵天线的运营商具有调节他们天线的垂直辐射图(即在垂直面中的方向图的横截面)的要求。为了调节天线的覆盖范围，有必要改变天线的主射束的垂直角，也被称为“倾斜”。需要这样的调节例如来补偿蜂窝网络结构或者基站的数量或天线的变化。调节天线倾斜的角度可以是机械的、电的或这两者一起。可以简单地通过改变天线或其屏蔽套(天线罩)指向的方向来机械调节天线倾斜的角度(“机械倾斜”的角度)。可以通过适合的天线单元信号的相对延迟来调节天线的“电倾斜”角度。

具有电倾斜角控制的相控阵天线系统由G.E.Bacon，“VariableElevation Beam-Aerial System for

Metres”，IEE PartIIIA，Vol.93，1946，pp539-544公开。该系统包含由九个偶极子子阵列组成的垂直多层天线。其使用具有四个嵌套的同心馈线电缆环以及一个到它们共同中心的连线的移相器。连接到该共同中心并且可围绕该共同中心旋转的导体将后者连接到四个环；每个环具有连接到关于中心子阵列对称定位的各个子阵列对的两个末端或输出端，其自身被连接到天线驱动信号被馈送到的共同中心。旋转导体将其连线围绕每个环移动，这增加了该环一个末端处的相位，并且降低了另一个末端处的相位。因此，每对子阵列在一个子阵列处的相位降低而在另一个处的相位增加，相移及其变化率一环一环地向外增加，因为它们与环半径成比例。

当在蜂窝移动无线电网络中使用时，相控阵天线的垂直辐射图(VRP)具有许多重要的要求：

(a)足够的瞄准线(boresight)增益；

(b)第一上旁瓣电平足够低以避免利用不同小区中的基站的移动设备的干扰；

(c)第一下旁瓣电平足够高以允许紧邻天线附近的通信；以及

(d)在天线被电倾斜时旁瓣电平仍保持在预定的限制中。

这些要求会相互冲突，例如增加瞄准线增益会增加旁瓣的电平。同样，在天线被电倾斜时旁瓣的方向和电平或幅度会改变。已发现-18dB的相对于瞄准线电平的第一上旁瓣最大电平对整体系统性能提供便利的损害。

调节机械或电倾斜的角度的效果是改变天线瞄准线方向，这改变天线覆盖范围。

由许多运营商共用的天线优选地具有用于每个运营商的各自独立可调的电倾斜角，然而，到目前为止这已导致了天线性能的妥协。随着倾斜角余弦的变化瞄准线增益会降低，因为有效天线孔径减小了(这是不可避免的并且在所有的天线设计中都会发生)。瞄准线增益的进一步降低会导致改变倾斜角的后果。

R.C.Johnson的Antenna Engineers Handbook 3rd Ed 1993，McGrawHill，ISBN0-07-032381-X，Ch20的图20-2公开了使用用于每个天线单元的各自可变移相器来调节相控阵天线的电倾斜角：因此可以作为横过天线距离的函数调节信号相位从而改变电倾斜。由于需要多个可变移相器所以天线的成本高。通过将每个单独的可变移相器或延迟设备应用于各自的天线单元组而不是应用于单独的单元来降低成本，但这增加了旁瓣电平。如果天线被共用，那么其运营商必须使用共同的电倾斜角。最后，如果天线被用在不同频率处具有上行链路和下行链路的通信系统(如一般的，频分双工系统)中，那么处于发射和接收模式中的电倾斜角不同。

相控阵天线还优选地具有幅度锥减(amplitude taper)和相位锥减(phase taper)，即横过阵列的幅度变化和相位变化率。幅度锥减主要与设定天线旁瓣电平有关，但是具有降低增益的副效应。相位锥减主要与设定电倾斜角有关，但是也降低天线增益并且在其不是线性的情况下会提高旁瓣电平。

使用多个可变移相器或延迟设备的相控阵天线的电倾斜的现有技术相当复杂：它们导致高成本和重量并且对由多个载波频率共用的天线或对每个都要求各自的电倾斜角的天线运营商来说是不现实的。

在国际专利申请号：WO 03/036756、WO 03/036759、WO 03/043127、WO 2004/088790以及WO 2004/102739中公开了天线的电倾斜角的控制。在这些专利申请中，WO 2004/102739特别公开了通过改变一对信号之间的单一时间延迟或相差来控制电倾斜：信号分离和重组网络形成了具有适合定相(phasing)的信号组合以输入到各自的天线单元。然而，该方法所具有的倾斜范围比许多应用所期望的要小。

发明内容

本发明的目的是提供一种相控阵天线系统的可替换形式。

本发明提供了一种具有电倾斜控制的相控阵天线系统，其可操作成处于发射模式的发射机，并且合并了：

a)天线单元阵列；

b)倾斜控制装置，用于将输入信号分离成至少第一、第二和第三中间信号，以使得所述至少第一和第二中间信号中的每一个能够相对于所述第三中间信号进行可变延迟；

c)共电馈电装置，用于处理所述中间信号以生成天线单元的驱动信号，所述驱动信号至少部分包括所述中间信号的矢量组合；以及

d)相对定相，用于响应于所述至少第一和第二中间信号相对于所述第三中间信号的可变延迟来使所述倾斜控制装置和所述共电馈电装置结合施加的驱动信号适用于相控阵射束转向。

在另一个方面，本发明提供了具有电倾斜控制的相控阵天线系统，其可操作成处于接收模式的接收机，并且合并了：

a)天线单元阵列；

b)共电馈电装置，用于处理来自天线单元的接收信号以生成至少部分包括所接收信号的矢量组合的至少第一、第二和第三中间信号；

c)倾斜控制装置，用于通过相对于所述第三中间信号可变延迟所述至少第一和第二中间信号以及将所延迟的中间信号与所述第三中间信号相组合以提供输出信号来将所述中间信号转换成输出信号；以及

d)相对定相，用于响应于所述至少第一和第二中间信号相对于所述第三中间信号的可变延迟来使所述共电馈电装置和所述倾斜控制装置结合施加的中间信号适用于相控阵射束转向。

倾斜控制装置可以包括相应的可变延迟装置，用于相对于所述第三中间信号来可变延迟所述至少第一和第二中间信号中的每一个，所述可变延迟装置被设置成提供以相同速率变化并且一个延迟增加而另一个延迟减少的延迟。所述可变延迟装置可以应用彼此幅度相等的相应延迟。

共电馈电装置可以组合附近位置中的信号以避免电路交叉。它可以组合附近位置中的中间信号以生成天线单元的驱动信号并且避免电路交叉。

倾斜控制装置和共电馈电装置可以提供具有横过阵列基本线性的相位波前的天线单元的驱动信号。它们可以提供具有抑制旁瓣的幅度锥减以及倾斜所述阵列的射束而不损害射束形状的基本线性相位锥减的天线单元的驱动信号。倾斜控制装置可以是第一倾斜控制装置，并且天线系统可以包括至少一个其它倾斜控制装置和滤波装置以隔离不同频率的信号的发射和/或接收，并且提供与每个倾斜控制装置相关联的相应独立电倾斜角。

倾斜控制装置和共电馈电装置可包括实施诸如余弦、余割或多尔夫-切比雪夫幅度锥减的幅度锥减的分离装置。它们可以包括分离装置和混合组合装置用于分离并组合信号并且该分离装置和混合组合装置实现为双窝正交混合器(double box quadrature hybrids)以及和差混合器(sumand difference hybrids)。倾斜控制装置可以仅包括两个可变延迟装置来相对于第三中间信号仅可变延迟第一和第二中间信号。倾斜控制装置可以可替换地仅包括四个可变延迟装置来相对于第三中间信号仅可变延迟第一、第二、第四和第五中间信号。

天线单元的阵列可以具有七个、十一个、十五个或十九个天线单元。一些驱动信号可以是单独的中间信号的部分(fraction)而其它驱动信号可以是两个中间信号的部分的矢量和或矢量差。

在可替换的方面，本发明提供了一种操作具有电倾斜控制的相控阵天线系统作为处于发射模式的发射机的方法，该天线系统合并了具有天线单元阵列的天线，并且该方法具有以下步骤：

a)将输入信号分离成至少第一、第二和第三中间信号；

b)相对于所述第三中间信号可变延迟所述至少第一和第二中间信号；

c)处理所述中间信号以生成天线单元的驱动信号，所述驱动信号至少部分包括所述中间信号的矢量组合；以及

d)响应于所述至少第一和第二中间信号相对于所述第三中间信号的可变延迟来相对定相所述驱动信号以适用于相控阵射束转向。

在又一个可替换的方面，本发明提供了一种操作具有电倾斜控制的相控阵天线系统作为处于接收模式的接收机的方法，该天线系统合并了具有天线单元阵列的天线，并且该方法具有以下步骤：

a)处理来自所述天线单元的接收信号，以生成至少部分包括所接收信号的矢量组合的至少第一、第二和第三中间信号；

b)通过相对于所述第三中间信号可变延迟所述至少第一和第二中间信号并且将所延迟的中间信号与所述第三中间信号组合以提供输出信号来将所述中间信号转换成输出信号；以及

c)响应于所述至少第一和第二中间信号相对于所述第三中间信号的可变延迟来相对定相所述中间信号以用于相控阵射束转向。

接收和发射模式方法可以包括用以相同的速率变化并且一个延迟增加而另一个延迟减少的延迟相对于所述第三中间信号来可变延迟所述至少第一和第二中间信号的每一个的步骤。可变延迟的步骤可以应用幅度彼此相等的相应延迟。

可以组合附近位置中的信号以避免电路交叉。可以组合附近位置中的中间信号以生成天线单元的驱动信号并避免电路交叉。

可以提供具有横过阵列基本线性的相位波前的天线单元的驱动信号。它们可以具有抑制旁瓣的幅度锥减以及倾斜所述阵列的射束而不损害射束形状的基本线性相位锥减。

接收和发射模式方法可以包括隔离不同频率的信号的发射和/或接收并且提供与不同倾斜控制相关联的独立电倾斜角。这些方法可以包括信号分离以实施诸如余弦、余割或多尔夫-切比雪夫幅度锥减的幅度锥减。这些方法可以包括在每种情况下相对于第三中间信号仅可变延迟第一和第二中间信号或可替换地仅可变延迟第一、第二、第四和第五中间信号。

天线单元的阵列可以具有七个、十一个、十五个或十九个天线单元。接收和发射模式方法可以包括用双窝正交混合器以及和差混合器来分离和组合信号。一些驱动信号可以是单独的中间信号的部分而其它驱动信号可以是两个中间信号的部分的矢量和或矢量差。

附图说明

为了可以更完整地理解本发明，现在将参考附图仅以示例的方式来描述其实施例，其中：

图1示出了具有零和非零电倾斜角的相控阵天线的垂直辐射图(VRP)；

图2和图3图示了使用多个时间延迟设备来调节相控阵天线的电倾斜角的现有技术；

图4图示了使用单个时间延迟设备来调节电倾斜的现有技术；

图5是使用两个可变时间延迟设备来调节相控阵天线的电倾斜角的本发明第一实施例的示意性框图；

图6是图5的实施例的矢量图；

图7示出了图5的实施例中的倾斜控制器的电路布局；

图8示出了图5的实施例中的共电馈电的电路布局；

图9是图示以适用于两个极化的方式构造图5的实施例的示意性框图；

图10是使用三个可变时间延迟设备的本发明的第二实施例的示意性框图；

图11是图10的实施例的矢量图；

图12是使用四个可变时间延迟设备的本发明的第三实施例的示意性框图；

图13提供图12的实施例的两个矢量图；

图14是图示用操作在发射和接收两个模式的共同倾斜来实施本发明的框图；

图15是图示用操作在发射和接收模式的独立可调倾斜来实施本发明的框图；以及

图16是延迟要求与天线单元数量的关系图，其中将本发明的延迟利用与现有技术的延迟利用进行了比较。

具体实施方式

参考图1，示出了由天线单元(未示出)的阵列组成的相控阵天线12的垂直辐射图(VRP)10a和10b。天线12是线性的，其具有中心14并且被垂直地布置在图平面中。VRP 10a和10b分别对应于天线单元信号的延迟或相位随从阵列边缘横过天线12的阵列单元距离的零和非零变化。它们具有各自的主瓣16a、16b(主瓣16a、16b分别具有中心线或“瞄准线”18a、18b)，后瓣19a、19b，第一上旁瓣20a、20b、第一下旁瓣22a、22b、第一上零点(null)23a、23b以及第一下零点24a、24b；18c表示与非零等同(equivalent)18b相比较的延迟的零变化的瞄准线方向。当没有后缀a或b指代(例如旁瓣20)时，指代任何一个相关的单元对而没有区别。VRP 10b相对于VRP 10a(如所示向下)倾斜，即在主射束中线18b和18c之间存在夹角-电倾斜角；电倾斜角的幅度依赖于延迟随横过天线12的距离变化的速率(相控阵的基本原理)。

VRP必须满足一些标准：a)高瞄准线增益；b)第一上旁瓣20应该处于足够低的电平以避免引起对使用另一个基站的移动设备的干扰；以及c)第一下旁瓣22应该处于足够电平以使得有可能在天线12的紧邻进行通信。这些要求会相互冲突，例如最大化瞄准线增益会增加旁瓣20、22。相对于瞄准线电平(主射束16的长度)来说，发现-18dB的第一上旁瓣电平可以提供整体系统性能的便利妥协。瞄准线增益与倾斜角的余弦成比例的降低，因为天线的有效孔径减小了。根据倾斜角的变化程度瞄准线增益将会进一步减小。

调节天线的机械倾斜角或电倾斜角的效果是相对于水平面重新定位瞄准线，从而调节天线的覆盖范围。为了最大限度的灵活使用，蜂窝无线电基站优选地具有可用的机械倾斜和电倾斜，因为每个都对地面覆盖具有不同的效果并且也对天线紧邻的其它天线具有不同的效果。如果天线的电倾斜可以远离天线调节，例如以避免接近在天线支撑杆顶部处合并到天线中的移相器，这也是有益的。此外，如果单个天线在多个运营商之间被共用，那么优选地为每个运营商提供不同的电倾斜角，尽管这在现有技术中影响了天线性能。

现在参考图2(a)到图2(d)以及图3(a)到图3(c)，这些图表示在现有技术的相控阵天线中使用的相移/延迟设置以提供可调节的电倾斜角。在图2和3中的七个图示中的每一个都示出了具有四个单元E0到E3的天线，虽然相控阵天线具有多于两个的任何数量的单元。这些图示中的每一个图中用框(box)例如30表示与天线单元串联的可变延迟器，每一个框都具有斜箭头(例如32)并且包含字母T，在一些情况下，T被整数乘和/或除：这里T表示信号延迟时间T，NT表示N倍T的信号延迟时间，并且T/M表示T除以M的信号延迟时间。在一些该图示中，负的信号延迟由T/2和3T/2之前的负号表示，这在实际中不能实现。然而，负的信号延迟可以通过将所有延迟器以一个方向偏移来模拟：例如+T和-T的延迟可以通过将T的倍数添加到这二者并且将它们的平均数作为零参考(对所有天线单元E0到E3来说共同的延迟不影响倾斜角)来实现。然而，在适当的地方将延迟表示为负数非常有利，因为这样也可以表示横过阵列的延迟变化率的符号(这控制倾斜)。

同样在图2和图3中，链接箭头32的虚线(例如34)表示一起联动(耦合)变化的可变延迟器；此外，在虚线34中并且被标记为-1的放大器符号(三角形)36表示上面实施的延迟变化与其下面的延迟变化方向相反：例如在图3B中，放大器符号36表示当与天线单元E0和E1串联的延迟器增加或减少时，与天线单元E2和E3串联的延迟器分别减少或增加。从输入端40传送到天线单元E0到E3的信号或者未延迟或者经由一个、两个或三个可变延迟器。

在图2(a)中，天线单元E0不具有串联延迟器，并且天线单元E1到E3分别与联动的可变延迟器T、2T和3T串联。这提供了从天线单元En到邻近的天线单元En+1(n＝0到2)增加T的延迟，从而横过阵列经历最大延迟3T和总计延迟6T。相位随横过阵列的距离x的变化率对于以等间隔天线单元之间的间隔为单位测量的x来说为T。T对于所有四个单元E0到E3可同步变化，如由箭头32所表示的34处的联动，因此

以及由此的电倾斜可以通过改变T而改变，如由图中的“设置倾斜”所表示的；需要(Ne-1)移相器(即在该示例中为三个)，即比天线单元的数量Ne少一个。如果T具有最大值Tmax，那么最大的延迟是最大值(Ne-1)Tmax(在这里是3Tmax)，并且总计延迟的最大值是1/2Ne(Ne-1)Tmax(在这里是6Tmax)。信标参考先前已在图2的示例中提到。

图2(b)实际上与图2(a)相似，但是可变延迟器的数量被增加到四个以减少所需要的最大延迟。如前述，天线单元E0不具有串联延迟器，并且天线单元E1具有串联延迟器T；天线单元E1到E3与共同延迟器T串联，之后分别通过可变延迟器T和2T级联。所有四个可变延迟器被联动。这提供了与图2(a)相同的延迟变化能力，但是总的延迟变化是(从6T减少)到5T。

图2(c)使用四个可变延迟器，即用于每个天线单元E0、E1、E2和E3等的单独可变延迟器，其分别具有延迟-3T/2、-T2、T/2和3T/2。中心虚线38对应于零延迟。如前述，延迟器是联动的，以使得它们同步变化：随着T的增加，-3T/2和-T/2具有更高的负幅度，而T/2和3T/2具有更高的正幅度。这里的延迟变化被减少到4T。

图2(d)提供了与图2(c)相同的延迟特性，但对外部的天线单元E0和E3使用了级联延迟T/2、T以及-T/2、-T(与图2(b)类似)以减少所需的最大延迟。内部的天线单元E1和E2具有与各自邻近的单元E0和E3一样的单个延迟T/2。如前所述，延迟器是联动的，图2(d)的示例出现在1998年8月25日的US 5,798,675中并且现在延迟变化仅为3T。

图3(a)提供了与图2(a)相同的延迟特性，具有相同数量的延迟器(3个)，但是增加了对所有提供有延迟T的联动延迟器的级联使用。因此，天线单元E0接收未延迟的信号，而天线单元E1到E3分别接收已经由一个、两个和三个可变延迟器而传送的共有T、2T和3T延迟的信号。图3(a)是图2(d)的可替换示例，在图3(a)中具有3T的总延迟要求但具有“菊链”在一起的延迟器：因此可以使用相似的延迟值。问题是它必须使用非对称的共电馈电，其需要不希望的信号分离器比值的高值来实施幅度锥减。

图3(b)是图2(c)的修改，以在一对下天线单元E0和E1之间引入一个可变延迟器级联级并且在一对上天线单元E2和E3之间引入另一个这样的级，所有的延迟都是T。如已述的，放大器符号36表示当上天线单元延迟减少时下天线单元延迟会增加，并且反之亦然。图3(b)是对称的“菊链”共电馈电，但是其具有4T的总延迟要求。

图3(c)是图3(b)的修改，以引入位于中心并且具有未延迟输入信号的第五天线单元E2。假设使用(Ne-1)个(相等)延迟器是可接受的，其是现有技术的最佳实施方式，其中Ne是单元的数量：它可以用在对称共电馈电中，该对称共电馈电允许使用现实可行的分离器比值。

在图2和图3示出的所有配置提供：

a)沿着天线单元的线(阵列)的线性且等间隔的相位波前，以使得以不变的幅度锥减倾斜天线，以及

b)共电馈电网络有横过天线单元线的幅度锥减，以抑制旁瓣、增加天线增益、以及减少天线瞄准线区域外部的干扰。

因此，在这些配置中的方向性增益的任何损耗只归因于由倾斜引起的孔径减少。然而，它们要求不希望的很多个移相器和总延迟需求，这意味着：

1.除了专用应用之外图2(a)、2(b)和2(c)很少被使用；

2.图2(d)可用于在蜂窝无线电系统的天线中，但是具有高成本、重量和尺寸；

3.图3(a)具有非对称共电馈电并且导致不实用的信号分离器比值；

4.图3(b)具有比正确倾斜天线所需的时间延迟设备更多的时间延迟设备；以及

5.图3(c)是当前最佳的现有技术实施方式，但是需要不希望的很多个延迟器。

在希望天线被多个运营商或用户共用的情况下，图2和图3中的所有配置甚至不那么具有吸引力：它们具有太多的时间延迟设备从而不能使得使用不同的RF载波频率的运营商具有单独可调的电倾斜角。

所需要的用于相控阵的时间延迟器数量可以通过将天线单元布置成在子组之间发生延迟改变而在子组中不发生延迟改变的子组而减少；然而，通过损坏相位锥减来降低倾斜范围和天线增益会降低性能。

图2和图3还图示了就所需的可变延迟器的数量和延迟范围来说实施相控阵的难点。可变延迟器的位置是个大问题因为体积太大：在这点上，可变延迟器或移相器可以被电子地实现，但是在多数情况下通常通过改变信号传送到天线单元所经过的传输线的长度来机械地实施：例如参见公开机械可变延迟器或移相器的US专利No.6,198,458。可以a)根据天线组件安放可变延迟器：对于杆安装或台架安装的组件来说，延迟器在不容易调节的高空中的杆头处(参见Johannission等人的US专利No.6,067,054以及Zimmerman等人的US专利No.6,573,875)。可以可替换地b)远离基站中的天线来安放延迟器：每个天线单元需要不同的信号延迟，并且因此不得不将许多馈电电缆从每个移相器沿杆向上送到每个天线。大数目的馈电电缆涉及可观的费用、重量和相位误差(随着天气以及甚至阳光的改变相位改变会沿着馈电线发生)，并且馈电线的电长度必须匹配。避免可替换的a)和b)二者是个盼望已久的想法。

已开发的技术仅使用一个可变延迟器来实现相控阵的电倾斜：参见例如国际专利申请号WO 03/036756、WO 03/043127、WO 2004/088790、WO 2004/102739和WO 2005/048401。特别地，WO 2004/102739具有图4所示的实施例，其包括分离器S、180度混合耦合器H以及-180度固定相移

的配置；该配置形成了适用于相控阵天线单元E1U、E1L等的具有可变延迟的信号的组合。然而，这限制了具有由0.9个波长间隔开的十二个天线单元的2GHz相控阵的倾斜变化范围为4.5度：对于许多相控阵应用来说这个范围太小。

现在参考图5，示出了本发明的天线系统60。该系统60合并了相位统调(phase padding)组件(未示出)来平衡信号通过其传送所经历的相移。这在本领域中公知并且将不详细进行描述(例如参见WO2004/102739)：从输入端到合并混合耦合器的天线单元的信号路线包括每个耦合器180度的相移，因此，如果每个信号路线的耦合器的最大数量是n并且最小数量是0，那么包括i个耦合器的路线需要180(n-i)度相位统调的组件。

系统60合并了两个主处理组件：电倾斜控制器62和共电馈电64，后者被连接到相控阵天线66。天线66具有十一个天线单元，这些天线单元是中心天线单元Ec、连续布置在其上面的五个天线单元E1U到E5U、以及连续布置在其下面的另外五个天线单元E1L到E5L。

被表示为矢量V的输入信号被施加到倾斜控制器62的输入端68，在其中由提供有电压分离比c1和c2的第一分离器S1将输入信号分离成两个不同幅度的信号矢量c1.V和c2.V。信号矢量c2.V现在被标示为倾斜矢量C，并且出现在控制器输出端62c处。

信号矢量c1.V进一步被第二分离器S2分离以提供第一和第二信号矢量c1.d1.V和c1.d2.V：该第一信号矢量c1.d1.V被第一可变延迟器T1延迟以给出信号矢量，其现在被标示为倾斜矢量A并且出现在控制器输出端62a处；类似地，该第二信号矢量c1.d2.V被第二可变延迟器T2延迟以给出信号矢量，其现在被标示为倾斜矢量B并且出现在控制器输出端62b处。本发明的这个实施例的特征是仅使用两个可变延迟器T1和T2以及三个倾斜矢量，后面的每个实施例将使用更多。

因此，倾斜控制器62提供三个天线倾斜控制信号，这些信号表示倾斜矢量A＝c1.d1.V[T1]、B＝c1.d2.V[T2]以及C＝c2.V，其中[T1]、[T2]分别表示可变延迟器T1、T2。联动的延迟器T1和T2由虚线70表示，其包含表示当T2从T减少到0时T1从0增加到T并且反之亦然的-1放大器符号72：在这里T是两个联动的可变延迟器T1和T2的预定最大延迟值。延迟控制74的操作改变相结合的两个联动的可变延迟器T1和T2，并且使它们各自的延迟改变了一定的量，这些量在幅度上相等并且符号相反(见符号72)，即一个增加而另一个减少：响应于这些可变延迟器的改变，天线66的电倾斜角也会改变。

具有电压分离比e 1和e2的第三分离器S3将倾斜矢量C分离成信号e1.C和e2.C，或等同的c1.e 1.V和c2.e1.V：信号e1.C被标示为Cc(C中心)，并且作为驱动信号被馈送到中心天线单元Ec(天线单元驱动信号引起该信号从关联的天线单元到自由空间的辐射)。信号e2.C进一步被具有电压分离比f1和f2的第四分离器S4分离；这生成被标示为Cu(C以上)的信号c2.e2.f1.V，还有被标示为Cl(C以下)的信号c2.e2.f2.V。信号Cc不经历可变的或固定的延迟设备中的延迟不是必需，但是这有利于最小化电路并降低设计的复杂性和成本。此外，如本文其它地方所述，实际上信号Cc用未示出的用于相位统调目的的装置延迟或相移，从而补偿其它信号经过其传送的组件所引入的延迟。

矢量A和Cu被用来提供驱动信号到天线单元E1U到E5L，该天线单元E1U到E5L被连接到共电馈电64的上部。分别具有电压分离比a1、a2和g1、g2的第五和第六分离器S5和S6将倾斜矢量A分离成信号a1.A和a2.A，并且将倾斜矢量Cu分离成g1.Cu和g2.Cu。

相似地，矢量B和Cl被用来提供驱动信号到天线单元E1L到E5L，该天线单元E1L到E5L被连接到共电馈电64的下部。分别具有电压分离比b1、b2和h1、h2的第七和第八分离器S7和S8将倾斜矢量B分离成信号b1.B和b2.B，并且将倾斜矢量Cl分离成h1.Cl和h2.Cl。

具有电压分离比i1、i2的第九分离器S9将来自第五分离器S5的信号a2.A分离成信号i1.a2.A和i2.a2.A，其中信号i1.a2.A被连接到第三上天线单元E3U并为其提供驱动信号。具有电压分离比j1、j2的第十分离器S10将来自第七分离器S7的信号b2.B分离成信号j1.b2.B和j2.b2.B，其中信号j1.b2.B被连接到第三下天线单元E3L并为其提供驱动信号。

共电馈电64合并了六个矢量组合设备H1到H6，其中的每一个都是具有两个被标示为1和3的输入终端以及两个被标示为2和4的输出终端的180度混合器(和差混合器)。信号从每个输入端传送到两个输出端：与在一个输入输出对之间传送的信号相比，180度的相对相位改变出现在在另一个输入输出对之间传送的信号之间，如位于每个混合器上的字符π所表示的，这出现在混合器H1和H2中的输入端1和输出端4之间以及混合器H3到H6中的输入端3和输出4端之间。混合器H1到H6中的每一个产生两个输出信号，它们是其输入信号的矢量和和矢量差。

第一混合器H1从第五分离器S5接收输入信号a1.A并且从第六分离器S6接收输入信号g2.Cu：第一混合器H1相加并相减这些信号以将它们的差作为输入提供给第三混合器H3并将它们的和作为输入提供给第五混合器H5。相似地，第二混合器H2从第七分离器S7接收输入信号b1.B并且从第八分离器S8接收输入信号h2.Cl：第二混合器H2将这些信号的差作为输入提供给第四混合器H4并将它们的和作为输入提供给第六混合器H6。

第三混合器H3除了从第一混合器H1接收输入信号之外还从第九分离器S9接收另一个输入信号i2.a2.A，并且生成分别作为驱动信号输出到第四和第五上天线单元E4U和E5U的和差信号。

第五混合器H5除了从第一混合器H1接收输入信号之外还从第六分离器S6接收另一个输入信号g1.Cu，并且生成分别作为驱动信号输出到第一和第二上天线单元E1U和E2U的和差信号。

第四混合器H4除了从第二混合器H2接收输入信号之外还从第七分离器S7接收另一个输入信号j2.b2.B，并且生成分别作为驱动信号输出到第四和第五下天线单元E4L和E5L的和差信号。

第六混合器H6除了从第二混合器H2接收输入信号之外还从第八分离器S8接收另一个输入信号h1.Cl，并且生成分别作为驱动信号输出到第一和第二下天线单元E1L和E2L的和差信号。

第一、第三和第五混合器H1、H3和H5实施矢量组合过程来生成用于天线单元E1U、E2U、E4U和E5U的信号，并且第二、第四和第六混合器H2、H4和H6对天线单元E1L、E2L、E4L和E5L实施相似的过程。用于天线单元Ec、E3U和E3L的信号被分离器生成而没有经过混合器。混合器H1到H6是具有两个输入端口1和3以及两个输出端口2和4的四端口设备；它们的输入输出特性通过s参数来表示，即表示由端口x和y之间传送的信号所经历的增益的散射参数sxy(x＝1或3，y＝2或4)。混合器Hn(n＝1到6)的散射参数将被标示为Hn.sxy。

输入端口1处的信号在传送到输出端口4时经历π弧度的相对相位延迟(如符号π所表示的)，但是这不适用于在端口1和2、3和2或3和4之间传送的信号。出现在混合器H1的输出端口2和输出端口4处的信号通过下式给出：

H1输出端口2信号＝H1(2)＝a1.H1s23.A+g2.H1s21.Cu

H1输出端口4信号＝H1(4)＝a1.H1s43.A-g2.H1s41.Cu

第五混合器H5的输出端口2和输出端口4分别提供天线单元E1U和E2U的信号矢量如下：

H5输出端口2信号＝H5(2)＝E1U信号＝H5s21.H1(2)+g1.H5s23.Cu即H5(2)＝H5s21(a1.H1s23.A+g2.H1s21.Cu)+g1.H5s23.Cu

以及：

H5输出端口4信号＝H5(4)＝E2U信号＝H5s41.H1(2)-g1.H5s43.Cu即H5(4)＝H5s41(a1.H1s23.A+g2.H1s21.Cu)-g1.H5s43.Cu

分离器S9为天线单元E3U提供信号矢量，

即E3U信号＝a2.i1.A。

第三混合器H3的输出端口2和输出端口4分别提供天线单元E4U和E5U的信号矢量如下：

混合器(M)的输出(2)和输出(4)生成单元矢量E4A和E4A：H3输出端口2信号＝H3(2)＝E4U信号＝H1(4).H3s21+a2.i2.H3s23.A即E4U信号＝H3s21.(a1.H1s43.A-g2.H1s41.Cu)+a2.i2.H3s23.AH3输出端口4信号＝H3(4)＝E5U信号＝H1(4).H3s21-a2.i2.H3s23.A即E5U信号＝H3s21.(a1.H1s43.A-g2.H1s41.Cu)-(a2.i2.H3s23.A)

图6是在可变延迟器T1提供+45度相移的情况下中心和上天线单元Ec和E1U到E5U的信号矢量的矢量图。为了降低复杂性没有示出散射参数并且该图不成比例：较小的矢量已在尺寸上进行增加以改善可视性，实际的幅度随后将通过散射参数表来示出。图6示出了如上所述的用于天线单元E1L到E5L的信号矢量产生抑制旁瓣的幅度锥减：这些信号矢量还产生基本线性的相位锥减，其倾斜天线阵列66的射束而不影响其射束形状以及由此也不损害增益，其要不然会由于相位损坏而出现。

下天线单元E1L到E5L的信号矢量的表达式将不被描述：它们与上天线单元E1U到E5U的信号矢量的表达式相似，其中用信号矢量B代替信号矢量A，共电馈电64的下半部中的项的适合分离器比值和混合器散射参数也相似。各自定位的天线单元对ExU和ExB(x＝1到5)具有相似的幅度但不同的相角，这归因于可变延迟器T1和T2的差分作用(延迟器T2提供-45度的相移，延迟器T1的相移与其相等但反向)，并且与相控阵要求一致。

天线单元Ec、E1U到E5U以及E1L到E5L相对于彼此的信号矢量或驱动信号的定相通过倾斜控制器62和共电馈电64的结合来施加。该相对定相通过对混合器中的矢量组合的分离比和信号的选择来预先设置：它通过控制响应于两个可变延迟器T1和T2的调节而变化的电倾斜角来适用于相控阵射束转向。

表1分离器和混合器参数

分离器S1到S9以及混合器H1到H6提供了表1中示出的电压分离比和输入/输出散射参数，在表1中‘DBQH’指双窝正交(90度)混合器且‘SDH’＝和差(180度)混合器。

参数的值由计算机模拟得到，该计算机模拟在生成天线阵列66所期望的幅度锥减的同时计算实际可实现的分离器比值的值。图5和表1应用于天线阵列的一个极化：它们可以被复制用于双极化天线的每个极化；即双极化天线可以合并两个倾斜控制器62和两个共电馈电64。

与图4所示的现有技术系统4度的倾斜范围相比，天线系统60提供了提高的6.5度的倾斜范围，有62.5％的改进，在所有情况下，这具有相对于瞄准线的-18dB的最大旁瓣电平。该天线系统60在可以允许其上旁瓣20增加到-15dB的情况下提供了10度的倾斜范围。

在不考虑天线单元的数量的情况下，在天线系统被实施为‘相位中线(neutral)’设计以最小化频率影响时本发明的天线系统的带宽被最大化。因此附加的固定延迟器被添加以确保在天线系统在不同于其中心频率或设计频率的频率处操作时，差分径迹(track)长度不会引起频率效应。附加的固定延迟器也被合并在共电馈电64的输出端和天线单元Ec、E1U到E5U以及E1L到E5L之间，以插入固定的倾斜偏移，因为通常移动电话用户不在地平线上。利用电缆长度可以方便地插入该附加延迟器。

图5所示的本发明的天线系统60具有关于经过单元Ec的中心水平线对称的时间延迟形式。传递到单元Ec的天线单元驱动信号具有的时间延迟被看作是关于分别传递到其它单元E1U到E5U和E1L到E5L的驱动信号的时间延迟的参考；即在到其它单元E1U到E5U以及E1L到E5L的驱动信号的时间延迟响应于联动的可变延迟器T1和T2的操作发生改变时，到中心单元Ec的驱动信号的时间延迟仍保持恒定。此外，在到下单元E1L到E5L的驱动信号的时间延迟减少时，到上单元E1U到E5U的驱动信号的时间延迟会增加，并且反之亦然，从相结合的单元辐射到自由空间的无线电信号具有合理近似的基本线性(如下面所定义的)的相位波前：因此驱动信号时间延迟可以被设想成围绕中心单元Ec旋转的相位线，该线表示随着距Ec的距离的增加时间延迟的幅度也在增加以及在Ec处(在此处的时间延迟被当作零参考)时间延迟的符号的改变。这样的线的等式是d＝nt，其中d是单元驱动信号时间延迟，t是由T12和T2控制的可变时间延迟，n是EnU或EnL中的单元数量(即n＝1到5以及-1到-5)，其指示距Ec的距离，其中在天线阵列66的不同(即上或下)半中的单元具有相反的符号。

从天线阵列辐射到自由空间的无线电信号将具有相位波前，如果在相邻天线单元处的信号之间存在恒定的相差，那么该相位波前横过该阵列上是线性的。如果在相邻天线单元的信号之间的相差的变化不多于10％，那么这样的相位波前在横过阵列上是基本线性的。

有可能将到任何单元E1U到E5U、Ec或E1L到E5L的驱动信号作为时间延迟的零参考；例如选择到最下端单元E5L的驱动信号作为零参考将导致设想的相位线围绕天线阵列66的下端旋转，并且到所有其它单元E1L到E4L、Ec或E1U到E5U的驱动信号具有关于最下端单元驱动信号都为正或都为负的时间延迟。然而，将中心单元Ec作为时间延迟的零参考的选择避免了分离器比值的实际问题：随着所选择的时间延迟的零参考远离中心单元Ec，实施幅度锥减所需要的分离器比值在数值上增加了，并且变得更加难以获得。因为这个原因，优选地使用中心单元Ec作为时间延迟的零参考。

现在参考图7，倾斜控制器62被详细示出：用相同的附图标记表示之前所述的部分。使用‘双窝’正交混合器来实施分离器S1，该混合器具有一个终止在匹配负载Lm的(未使用)的端口以及不相等的输出幅度c1(-3.04dBr)和c2(-2.98dBr)，后者变成了倾斜矢量(C)。

分贝比dBr是关于被分配参考电平点的共电馈电中的任何点的电平，这里分配参考电平点被当做到天线共电馈电的输入端口。

输出c1被分离器S2分离成两个相等的幅度：分离器S2由具有终止在匹配负载Lm中的未使用的端口的和差混合器实现，并且输出被T1和T2延迟以分别给出具有相对电平-6.05dBr的倾斜矢量A和B。指向并远离混合器和延迟器的箭头80表示输入和输出。在发射模式中匹配负载Lm没有带来功率损耗(忽略由非理想混合器所致的效应)，因为它们与输出功率不流动到的输入端口相关联。它们在接收模式中也没有给定位在图1中的天线瞄准线18a或18b上的信号源带来功率损耗(如随后所述天线系统60可以被相反地操作为接收机)。然而，它们的确在接收模式中为偏离瞄准线的信号源带来了功率损耗。

图8详细示出了共电馈电64：用相同的附图标记表示之前所述的部分。分离器S3和S4由和差混合器实现，分离器S5到S10由‘双窝’正交混合器实现，并且分离器S3到S10所有都具有一个终止在匹配负载Lm中的未使用端口。混合器H1到H6由和差混合器实现。

图9示意性地示出了单个印刷电路板90如何可以支持两个共电馈电64(+)和64(-)以分别实施双极化天线的正极化和负极化：用相同的附图标记表示之前所述的部分。由表示布局的框表示分离器S3到S10以及混合器H1到H6的组。每个共电馈电64(+)或64(-)通常被布置为E形状并且关于另一个以补偿或联锁的形式设置。

每个共电馈电64(+)或64(-)都与相应的倾斜控制器62(未示出)相关联。一个或多个倾斜控制器62可以与共电馈电或多个共电馈电64一起安装在天线罩(未示出)中或者远离天线罩与一个(或多个)共电馈电分开安装。在任一种情况下，倾斜矢量A、B和C经由保持这些矢量之间的相位关系的连接在倾斜控制器62和其相关联的共电馈电64之间传送。可替换地，如果不是这种情况，则倾斜控制器62或共电馈电64必须包括对由这些连接引入的任何相位误差偏离的补偿。

根据图9的天线组件可以在由相控阵天线的特定天线罩所施加的尺寸约束中实施；此外，它表示出从共电馈电64(+)和64(-)出来的导线基本上以到按常规方式布置的天线单元E1U到E5U、Ec以及E1L到E5L的连接所需的非常有利的方式分布。这导致从共电馈电64连接到天线单元的电缆总长度被减少，从而带来减少的损耗。

现在参考图10，本发明的又一个天线系统100具有天线阵列101，其具有十二个天线单元：F1U到F6U以及F1L到F6L：该天线系统使用第一、第二和第三可变延迟器Ta、Tb和Td以及一个固定延迟器Tc，它们被定位在连接到共电馈电104的倾斜控制器102中。第一和第二可变延迟器Ta和Tb每个都提供从0到2T的可变延迟，第三可变延迟器Td提供从2T到0的可变延迟，固定延迟器Tc提供延迟T。相位统调组件(未示出)被定位在共电馈电104中以平衡信号传送到天线单元F1U到F6U以及F1L到F6L所经历的相移。

第一、第二和第三可变延迟器Ta、Tb和Td被联动，如虚线106所表示的，其包含-1放大器符号108，它表示在第三可变延迟器Td减少时第一和第二可变延迟器Ta和Tb增加，并且反之亦然：响应于设置倾斜控制110，这些联动延迟器的变化会改变天线电倾斜。

在112处输入信号矢量V被第一分离器S11分离成两个信号s1.V和s2.V。信号s1.V被第二可变延迟器Tb延迟然后被第二分离器S12分离成两个信号g1.s1.V和g2.s1.V，其中信号g1.s1.V被标示为倾斜矢量B。信号g2.s1.V进一步被第一可变延迟器Ta延迟，然后被标示为倾斜矢量A。

来自第一分离器S11的信号s2.V被固定延迟器Tc延迟然后被第三分离器S13分离成信号h1.s2.V和h2.s2.V，其中信号h1.s2.V被标示为倾斜矢量C。信号h2.s2.V进一步被第三可变延迟器Td延迟，然后被标示为倾斜矢量D。

因此给出倾斜矢量：

A＝g2.s1.V[Ta+Tb]，

B＝g1.s1.V[Tb]，

C＝h1.s2.V[Tc]，

D＝h2.s2.V[Tc+Td].

其中如前面那样，[...]指延迟了方括号中的内容。

共电馈电104关于被示为虚线的水平中心线112对称，即其具有与天线单元F1U到F6U相关联的上半部分104U以及与天线单元F1L到F6L相关联的下半部分104L，该下半部分104L是上半部分104U的镜像。倾斜矢量A和B被连接到上半部分104U，其为上天线单元F1U到F6U生成电压或信号矢量。倾斜矢量C和D被连接到下半部分104L，其为下天线单元F1L到F6L生成电压或信号矢量。

共电馈电104分离倾斜矢量A、B、C和D并且形成与A和D成比例的信号矢量，与B和A、B和C成比例的组合、与C和B、C和D成比例的组合(the corporate feed 104splits tilt vectors A，B，C and D andforms signal vectors proportional to A and D，and combination ofproportions of B with A and C and C with B and D)：这通过使用分离器S14到S19以及混合器H7到H10来实行，这与参考图5所述的信号矢量的生成相似，所以将不作进一步的描述。

图11是共电馈电104生成的天线单元驱动信号或矢量的矢量图。信号矢量产生抑制天线旁瓣的幅度锥减和基本线性的相位锥减：它们在不损害因相位损坏而引起的其射束形状以及由此增益的情况下倾斜天线阵列射束16。

用于天线单元F1U到F6U以及F1L到F6L的信号矢量或电压被给出：

F6U＝a2.A-b1.B

F5U＝a1.A

F4U＝a2.A+b1.B

F3U＝b2.e2.B-c1.C

F2U＝b2.e1.B

F1U＝b2.e2.B+c1.C

F1L＝c2.f2.C-b3.B

F2L＝c2.f1.C

F3L＝c2.f2.C+b3.B

F4L＝d2.D-c3.C

F5L＝d1.D

F6L＝d2.D+c3.C

现在参考图12，本发明的天线系统120的又一个实施例合并了天线阵列121和连接到共电馈电124的倾斜控制器122。天线阵列121具有十三个天线单元，即中心单元Gc、六个上单元G1U到G6U和六个下单元G1L到G6L：它使用了四个可变延迟器即第一、第二、第三和第四可变延迟器TA、TB、TC和TD：这些延迟器被定位在倾斜控制器122中，并且提供相等的最大延迟值。系统120合并了相位统调组件(未示出)以平衡信号经由不同的路线从输入端126传送到天线单元Gc、G1U到G6U和G1L到G6L所经历的相移。

第一、第二、第三和第四可变延迟器TA、TB、TD和TE被联动，如虚线128所表示的，其包含-1放大器符号130，它表示在第三和第四可变延迟器TD和TE减少时第一和第二可变延迟器TA和TB会增加，并且反之亦然：响应于设置倾斜控制132，这些联动延迟器的变化会改变天线电倾斜。

分离器Sv将输入信号矢量V分离成三个信号，其中一个被标示成倾斜矢量C。其它两个信号被分别馈送到第二和第三可变延迟器TB和TD：这些延迟器的每一个输出信号再次被分离成两个信号以提供被标示为倾斜矢量B和D的信号和输入到各自邻近的第一和第四可变延迟器TA和TE的信号，其接着提供被标示为倾斜矢量A和E的信号。因此，倾斜矢量A和E经由两个可变延迟器传送，倾斜矢量B和D经由一个可变延迟器传送，而倾斜矢量C不经由延迟器传送。因此倾斜矢量C在倾斜控制器122中没有被延迟；倾斜矢量A和E分别经历了倾斜矢量B和D两倍的延迟，在倾斜矢量D和E的延迟减少时倾斜矢量A和B的延迟会增加，并且反之亦然。

共电馈电124具有两路和三路分离器Sa到Se以及四个和差混合器Hab、Hbc、Hcd和Hde：这些分离器和混合器对倾斜矢量A到E执行分离、相加和相减操作以生成天线单元驱动信号，该驱动信号的信号相位在横过天线单元Gc、G1U到G6U和G1L到G6L的阵列121上改变以适用于相控阵射束转向。这与前所述的用于实施例60和100的操作模式类似，所以仅简单地进行讨论。

中心天线单元Gc接收从输入端126经由两个三路分离器Sv和Sc，但不经由可变延迟器或混合器而传送到其的信号。两个(上和下)天线单元G2U和G2L接收已经由一个可变延迟器TB或TD以及一个三路分离器Sb或Sd，但不经由混合器而传送的相应信号。又两个(上和下)天线单元G5U和G5L接收已经由两个可变延迟器TA、TB或TD、TE以及一个两路分离器Sa或Se，但不经由混合器而传送的相应信号。八个其它(上和下)天线单元G2U和G2L接收由混合器Hab、Hbc、Hcd和Hde通过将所有五个倾斜矢量A到E分别在分离器Sa到Se处进行分离之后对其进行相加和相减操作而生成的相应信号，即天线单元G1U、G3U、G4U、G6U、G1L、G3L、G4L和G6L：在这些天线单元中，天线单元G4U、G6U、G4L和G6L分别接收每个信号是经历在TB或TD处的一个可变延迟器(倾斜矢量B或D的部分)以及在TA和TB或TD和TE处的两个可变延迟器(倾斜矢量A或E的部分)的两个信号的组合(和或差)的信号；天线单元G1U、G3U、G1L和G3L接收每个信号是单个延迟的倾斜矢量B或D的部分与未延迟的倾斜矢量C的部分的组合的信号。

图13提供了得到天线单元驱动信号的矢量生成的矢量图示。它用于具有天线阵列的天线系统(未示出)，该天线阵列具有十九个天线单元，即一个中心单元、九个上单元和九个下单元。这等同于天线系统120添加了两个另外的可变延迟器(即总共六个)以及提供七个具有延迟3T、2T、3T、0、-T、-2T和-3T(T可变)的倾斜矢量和六个附加的天线单元驱动信号的附加分离器和混合器。

矢量图13A和13B示出了表示这两个图中的相同的水平未延迟倾斜矢量的相位和幅度的水平粗径向箭头132A和132B，该矢量是到中心天线单元(等同于图12中的单元Ec)的驱动信号的矢量。六个其它的粗径向箭头134A到138A以及134B到138B表示六个延迟倾斜矢量的相位和幅度，即每个图中的三个这样的矢量表示分别到三个上天线单元和三个下天线单元的驱动信号。在每个图中十二个其它径向箭头140A到150A以及140B到150B表示通过在混合器中处理为倾斜矢量的和差而获得的六个其它倾斜矢量的相位和幅度。在每个图中的三个弓形弯曲箭头152A、152B表示分别由可变延迟器引入的延迟或相移。

经过信号矢量箭头132A到150A、132B到150B的末端的虚曲线154A和154B表示幅度锥减(天线单元之间的幅度变化以获得期望的射束形状)。参考与图13有关的图12所描述的天线系统120，任何天线单元的信号矢量仅包括或者一个倾斜矢量或者在所图示的电路中位置邻近的两个倾斜矢量；因此，在共电馈电124的构造中，有可能减少电路径迹长度并避免电路径迹交叉。天线系统120尤其可以被设计成对于-18dB的最大旁瓣电平获得10度倾斜范围。天线系统120的矢量图可以通过删除图13中的矢量138A、148A、150A、152A、138B、148B、150B和152B来获得。

现在将参考图14讨论本发明的原理，图14示出了本发明的具有RF端口202的天线系统200的概括性框图，该RF端口202被连接到倾斜控制器204，其自身经由共电馈电206连接到天线阵列208。

前面提到的本发明的实施例被描述为操作在发射模式，输入信号矢量V被经过分离、延迟以及再组合以生成用于发射辐射到自由空间中的天线单元驱动信号。本发明的天线系统200和其它实施例可以被操作在发射或接收模式中。在发射模式中，RF端口202是输入端口，用于将信号V输入到倾斜控制器204。在接收模式中，RF端口202是输出端口，用于将信号V从倾斜控制器204输出，这与通过天线阵列208从自由空间以由倾斜控制器204中的可变延迟设置所规定的特定倾斜角来接收信号相对应(类似于以前的实施例)。倾斜控制器具有设置天线阵列208的倾斜角的第二输入端210。

在发射模式中，倾斜控制器204的输出由倾斜矢量(A、B、C、D等)的集合组成，如箭头212下面所表示的：箭头214被示为虚线以表示本发明可以生成同所需要的一样多的倾斜矢量。倾斜矢量A、B等等被连接到共电馈电206，其生成作为单个倾斜矢量的部分(portion)或倾斜矢量的矢量组合的天线单元驱动信号矢量，如本发明前面的实施例所述。

矢量组合可以通过单级矢量加法或通过两级或更多级矢量加法来形成。矢量和是矢量内插而矢量差是矢量外推。因此，对于单级矢量加法以及两个倾斜矢量A和B来说，根据矢量差D1来形成外推的单元矢量：

等式1：

D_{1} = a_{1} \cdot A - \sqrt{(1 - {(a_{1})}^{2})} \cdot B

并且根据矢量和S1形成内插的单元矢量：

等式2：

S_{1} = \sqrt{(1 - {(a_{1})}^{2})} A + a_{1} \cdot B

使用两级矢量加法(例如使用等式2中的S₁)的共电馈电可以从第二级矢量差生成进一步外推的矢量：

等式3：

D_{2} = a_{2} \cdot A - \sqrt{(1 - {(a_{2})}^{2})} S_{1}

并且从矢量和生成进一步内插的矢量：

等式4：

S_{2} = \sqrt{(1 - {(a_{2})}^{2})} \cdot A + a_{2} \cdot S_{1}

本发明使用至少三个倾斜矢量，例如图5中的倾斜矢量A、B和C。如果使用了N个倾斜矢量，那么这需要(N-1)个可变延迟器(例如对于三个倾斜矢量需要两个可变延迟器)，因为倾斜矢量中的一个可以被看作是其它(N-1)个倾斜矢量的时间参考。

表2

天线单元的数量(Ne)	A和C的外推器	倾斜矢量A	A和C的内插器	中心倾斜矢量C	B和C的内插器	倾斜矢量B	B和C的外推器
								3	0	1	0	1	0	1	0
4	1	0	1	0	1	0	1
								5	1	0	1	1	1	0	1

6	1	1	1	0	1	1	1
								7	1	1	1	1	1	1	1
8	2	0	2	0	2	0	2
								9	2	0	2	1	2	0	2
10	2	1	2	0	2	1	2
								11	2	1	2	1	2	1	2
12	3	0	3	0	3	0	3
								13	3	0	3	1	3	0	3
14	3	1	3	0	3	1	3
								15	3	1	3	1	3	1	3
16	4	0	4	0	4	0	4
								17	4	0	4	1	4	0	4
18	4	1	4	0	4	1	4
								19	4	1	4	1	4	1	4

表2示出了对于使用三个倾斜矢量A、B和C、两个可变延迟器以及单级矢量加法的实施例(例如参考图5所述)便于实施的共电馈电拓扑。

从单个倾斜矢量直接得到的每个天线单元驱动信号或矢量保持幅度恒定，并且具有其传送经过(如果有的话)的可变延迟器所引入的相移或者如果其没有传送经过可变延迟器的话则具有输入信号V的相位。除了可变延迟器之外，这忽略了组件(例如混合器)中的信号延迟。如在上述实施例中，在每个倾斜矢量被直接应用于相应的天线单元以及倾斜矢量的结合被应用于其它天线单元时，具有非零电倾斜角的相控阵天线的整体相位和幅度精度最大。因此，本发明的天线系统的优选实施例具有7、11、15或19个天线单元。

可以用单级矢量加法来实施本发明天线的天线系统。然而，如果这样的话，分离器和混合器比值可能会超过10dB，这为电路板设计带来了实施困难(不合实际的窄径迹)。例如对于馈送最外面的天线单元(例如图10中的F6U、F6L)的设备就可能发生这种情况，其中需要相对低的天线信号幅度来实施幅度锥减以达到抑制旁瓣的目的。因此，优选地可以使用两级矢量加法来将分离器和混合器参数约束到小于10dB。

表3

天线单元的数量(Ne)	A和C的外推器	倾斜矢量A	A和C的内插器	中心倾斜矢量C	B和C的内插器	倾斜矢量B	B和C的外推器
								12	3	1	2	0	2	1	3
13	3	1	2	1	2	1	3a
								16	4	1	3	0	3	1	4
16	6	0	2	0	2	0	6
								17	4	1	3	1	3	1	4
17	6	0	2	1	2	0	6

表3示出了三个倾斜矢量、两个时间延迟设备和两级矢量加法的便利的天线拓扑。

可以得到与由在表1和表2中的量表示的那些相似的结构以用于使用多于三个倾斜矢量的天线系统。用输入矢量V，倾斜矢量A、B、C、D(等)可以被定义为：

等式5：

等式6：

等式7：

等式8：

其中

是由倾斜控制器204设置的输入角，并且α_x和

分别是倾斜矢量X的幅度和相角，其中X是A、B、C或D。G_x是X的相位和输入角

之间的杠杆比率(gearing ratio)。X的相位以

的G_x倍变化。

如下所示，矢量加法产生具有基本平的相位波前的信号。考虑第一引理：

等式9：

F(A，B)＝gsin(A+B)+hsin(A-B)

等式10：

F(A，B)＝gsin AcosB+gcosAsinB+hsinAcosB-hcosAsinB

等式11：

F(A，B)＝(g+h)sinAcosB+(g-h)cosAsinB

等式12：

F (A, B) = {[{(g + h) \cos B}^{2} + {(g - h) \sin B}^{2}]}^{\frac{1}{2}} \sin [A + \tan^{- 1} {(\frac{g - h}{g + h}) \frac{\sin B}{\cos B}}]

等式13：

F (A, B) = {(g^{2} + h^{2} + 2 gh (\cos^{2} B - \sin^{2} B))}^{\frac{1}{2}} \sin [A + \tan^{- 1} {(\frac{g - h}{g + h}) \frac{\sin B}{\cos B}}]

等式14：

F (A, B) = {(g^{2} + h^{2} + 2 gh \cos 2 B)}^{\frac{1}{2}} \sin [A + \tan^{- 1} {(\frac{g - h}{g + h}) \tan B}]

还考虑第二引理以给出小θ的近似：

等式15：

cosθ≈1，tanθ≈θ，ntanθ≈tan(nθ)≈nθ

如果倾斜控制器204生成两个分别具有幅度Vm和Vn的相邻倾斜矢量M和N，那么

带入

以及G_m-G_n＝1，

等式16：

等式17：

其中，Vm、Vn由分离器比值α_m、α_n和输入电压V确定，

是Vm和Vn之间的相差，并且φ_mn是Vm和Vn的相位中心和输入电压V之间的相差。

操作在输出M和N上的矢量代数式生成在第i个天线单元(i)处的电压，其是在m和n处的电压矢量和。

等式18：

V_i＝γ_iM+κ_iN

等式19：

根据引理1得到：

等式20：

通过倾斜控制器204中的可变延迟器(未示出)的适合耦合和共同相位(输入信号V的相位)的偏移，可以被设置成：

等式21：

G_m-G_n＝1

其中，如在等式5到8中一样G_j是信号j(j＝m或n)的相位相对于输入

的杠杆比率G。

并且因此：

等式22：

使用第二引理：

等式23：

因此，由具有相对于输入信号

角的两个相邻倾斜矢量M和N的矢量和驱动的单元i的相位近似为：

等式24：

为了得到随着输入

的改变而旋转的平的相位波前，需要下式：

等式26：

或

(G_{m} + G_{n} + \frac{γ_{i} α_{m} - κ_{i} α_{n}}{γ_{i} α_{m} + κ_{i} α_{n}}) = {Ky}_{i}

其中γ_i是从天线阵列中心到第i个天线单元的距离并且K是常数。

通过将倾斜矢量的杠杆比率选择成整数上升比(在倾斜控制器中很容易实现)，可以满足倾斜矢量的标准，并且通过选择将单元i连接到倾斜矢量M和N的比率γ_i、κ_i，可以实现每个单元的标准。

随着

的增加这产生了用于倾斜相控阵天线的基本平的相位波前；它还在共电馈电206仅组合相邻的倾斜矢量时提供最佳的相位波前线性度。只要很小，相位波前就非常平的(引理2)。此外，如参考图7、8和9所述，允许倾斜控制器204和共电馈电206实施为没有径迹交叉的平面电路形式。

现在参照图15，所示的本发明的天线系统300适用于操作在发射模式和接收模式两者。在本发明的实施例中，两个单独的倾斜控制器(即发射倾斜控制器302T和接收倾斜控制器302R)被分别用于发射和接收信号。发射和接收信号在倾斜控制器302T和302R与共同共电馈电304之间经由与倾斜矢量信号A、B和C等相关联的双工(即发射/接收)滤波器单元306A、306B、306C等进行传送。这些滤波器单元将传送到右边的发射信号和传送到左边的接收信号分开：它们将发射信号从发射倾斜控制器302T路由到共电馈电304，并且将接收信号从共电馈电304路由到接收倾斜控制器302R。被示为虚线的线308和双工滤波器单元306X表示在任何情况下可以根据要求使用多个滤波器单元306A、306B、306C和倾斜矢量信号。共电馈电304将天线单元驱动信号提供给处于发射模式的天线阵列310的天线单元(用三角形表示)，并且在接收模式中共电馈电304从天线阵列310获得天线单元从自由空间接收的信号。天线系统300实现用于-18dB最大旁瓣电平的10度电倾斜范围。

严格来说，倾斜矢量信号A、B和C等被定义用来控制处于发射模式的发射机而不是处于接收模式的接收机，因为它们被描述为在传送到共电馈电之前在倾斜控制器中从单个输入信号V通过分离和延迟操作而产生。在接收模式中，天线阵列(例如310)的天线单元从自由空间接收信号，并且这些被接收的信号以相反的方向从天线单元传送到共电馈电。然而，在之前描述的本发明的实施例中，每个倾斜控制器和共电馈电的组件以与发射模式类似但相反的方式操作为处于接收模式的接收机：即分离器变成信号组合器并且和差混合器交换它们的输入和输出。因此，天线单元接收的信号变成由共电馈电64、104、124或304组合成合成信号矢量A、B和C等。现在这些合成信号矢量被方便地指定为中间倾斜信号而不是倾斜控制信号(事实上中间倾斜信号和倾斜控制信号二者都是中间信号)：它们传送到倾斜控制器62、102、122或302R以进行可变延迟并且在例如现在作为组合器的图5中的分离器S1和S2处组合。这控制处于接收模式的天线阵列的电倾斜角，并且产生用于该角的单个输出信号V。

如在前面的实施例所描述的发射和接收倾斜控制器302T和302R二者都具有可变延迟(未示出)；在发射倾斜控制器302T中的延迟与接收倾斜控制器302R中的延迟可以分开并且独立变化。控制器302T和302R二者控制天线阵列的电倾斜角，一个在发射模式中而另一个在接收模式中。因此，本发明的天线系统300提供了在发射和接收操作模式中分开的可独立变化的倾斜角。

可替换地，倾斜控制器302T或302R中的一个可以用于第一对发射和接收信号(TX1、RX1)，而另一个倾斜控制器用于第二对发射和接收信号(TX2、RX2)。在这种情况下，双工滤波器单元306A、306B、306C等被带组合滤波器代替。

在另一个可替换的实施例中，多个倾斜控制器302T和302R可以用于不同频率的多个发射信号(TX1、TX2、...)或不同频率的多个接收信号(RX1、RX2、...)。在这种情况下，双工滤波器单元306A、306B、306C等可以被隔离不同发射或接收频率的带通滤波器代替。

本发明的实施例提供了可电倾斜的天线，该天线：

(a)对于相控阵天线中的Ne个天线单元，其具有两个到(Ne-2)个可变延迟器，而现有技术中使用一个或(Ne-1)个可变延迟器；

(b)可以被设计成具有用于给定天线单元数量、倾斜范围和旁瓣电平的最小总计时间延迟；

(c)可以被设计成具有相同最大延迟值的可变延迟器；

(d)在其电倾斜范围内保持相位锥减的良好线性度；

(e)具有用于给定旁瓣电平的容易获得的增益；

(f)具有在其电倾斜范围上基本保持恒定的增益；

(g)可以被设计成用于任何数量的天线单元；

(h)除了与具有非理想特性的组件相关联的不可避免的损耗之外，可以被设计成具有无损共电馈电；

(i)可以被设计成在微带或三层板(tri-plate)中没有电路交叉；以及

(j)具有足够少的可变延迟器以允许在许多载波频率或运营商之间共用天线，其中每个具有单独的倾斜角。

在图16中将现有技术的延迟应用与本发明的延迟应用进行比较，其中与用于电倾斜的天线阵列中的天线单元的数量相对地绘出了延迟需求。此处，总时间延迟需求(坐标，∑T)是由所有相移器引入的总延迟以便于最大地倾斜天线阵列；例如，如果四单元天线阵列需要移相器引入(0、T、2T和3T)的延迟，那么最大倾斜天线阵列所需的总延迟是6T。

本发明提供了具有多于单个可变延迟器(参见WO2004/102739和图4)但是比天线单元至少少了两个可变延迟器(与图2和图3中的现有技术相比少了一个)的一套天线系统。就此而论，本发明的范围是由双向箭头400表示的区域，现有技术W02004/102739用水平线400表示，图2和图3用双向箭头404指出。因此，就延迟要求来说，本发明比参考图2和图3描述的现有技占优势，并且就可获得的电倾斜范围和射束形状来说，本发明比WO2004/102739的现有技术占优势，代价是与其他现有技术相比具有较少的附加延长器。

在上述本发明的所有实施例中，分离器比值可以被调节以配置信号幅度来为天线射束成形实施幅度锥减。通常使用的幅度锥减功能包括：

(a)对基础(pedestal)幅度锥减进行余弦平方，用于低旁瓣电平；

(b)多尔夫-切比雪夫幅度锥减，用于来自相等旁瓣电平的最大增益，以及

(c)专用的幅度锥减，用于例如同等地面照明或零转向。

上述的本发明实施例具有以线性方式控制的具有整数(通常为一)关系的可变延迟器(例如，图12中的TA、TB、TD、TE)。这些延迟器可以由任何特定控制关系设置，以使从输入信号矢量V获得的倾斜矢量(例如A到D)以下列形式的关系给出：

等式22：

等式23：

等式24：

等式25：

其中α_a、α_b、α_c和α_d是倾斜矢量A、B、C和D的幅度放缩因子，G_a、G_b、G_c和G_d是倾斜矢量A、B、C和D的角度放缩因子，并且

是天线所请求的倾斜角。

这允许对天线射束形状进行控制以提供例如倾斜范围内的旁瓣电平控制、增益控制以及零填充和零转向。

对天线射束形状的进一步控制可以通过作为电倾斜角的函数调节倾斜控制器和共电馈电(参见本发明上面的实施例)中的分离器比值来获得。

分离器的分离比的动态控制可以用耦合到混合组合器的时间延迟设备来实施，如在WO/2004/088790中所述。

倾斜控制器可以本地地安装到天线阵列，例如安装到倾斜控制器、共电馈电和天线阵列所位于的天线罩中；可替换地它可以远离天线阵列定位，即或者靠近使用天线阵列的基站或者作为调制功能的部分集成在基站中。

Claims

1.一种能操作成处于发射模式的发射机的具有电倾斜控制的相控阵天线系统，并且包括：

a)天线单元阵列；

b)倾斜控制装置，用于将输入信号分离成至少第一、第二和第三中间信号，以使得所述至少第一和第二中间信号中的每一个能够相对于所述第三中间信号进行可变延迟，其中所述第三中间信号相对于输入信号不受到延迟；

2.一种能操作成处于接收模式的接收机的具有电倾斜控制的相控阵天线系统，并且包括：

a)天线单元阵列；

b)共电馈电装置，用于处理来自天线单元的接收信号以生成至少部分包括所接收的信号的矢量组合的至少第一、第二和第三中间信号；

c)倾斜控制装置，用于通过相对于所述第三中间信号可变延迟所述至少第一和第二中间信号以及将所延迟的中间信号与所述第三中间信号相组合以提供输出信号来将所述中间信号转换成输出信号，其中所述第三中间信号相对于所接收的信号不受到延迟；以及

3.根据权利要求1所述的相控阵天线系统，其中所述倾斜控制装置包括相应的可变延迟装置，用于相对于所述第三中间信号来可变延迟所述至少第一和第二中间信号中的每一个，所述可变延迟装置被设置成提供以相同速率变化并且一个延迟增加而另一个延迟减少的延迟。

4.根据权利要求3所述的相控阵天线系统，其中所述可变延迟装置被设置成应用彼此幅度相等的相应延迟。

5.根据权利要求1所述的相控阵天线系统，其中所述共电馈电装置被设置成组合附近位置中的信号以避免电路交叉。

6.根据权利要求1所述的相控阵天线系统，其中所述共电馈电装置被设置成结合附近位置中的中间信号以生成天线单元的驱动信号并且避免电路交叉。

7.根据权利要求1所述的相控阵天线系统，其中所述倾斜控制装置和所述共电馈电装置被设置成提供具有横过阵列基本线性的相位波前的天线单元的驱动信号。

8.根据权利要求1所述的相控阵天线系统，其中所述倾斜控制装置和所述共电馈电装置被设置成提供具有抑制旁瓣的幅度锥减以及倾斜所述阵列的射束而不损害射束形状的基本线性相位锥减的天线单元的驱动信号。

9.根据权利要求1所述的相控阵天线系统，其中所述倾斜控制装置是第一倾斜控制装置，并且所述系统包括至少一个其它倾斜控制装置和滤波装置以隔离不同频率的信号的发射和/或接收，并且提供与每个倾斜控制装置相关联的相应独立电倾斜角。

10.根据权利要求1所述的相控阵天线系统，其中所述倾斜控制装置和所述共电馈电装置包括分离装置，以实施诸如余弦、余割或多尔夫-切比雪夫幅度锥减的幅度锥减。

11.根据权利要求1所述的相控阵天线系统，其中所述倾斜控制装置仅包括两个可变延迟装置以相对于所述第三中间信号仅可变延迟第一和第二中间信号。

12.根据权利要求1所述的相控阵天线系统，其中所述倾斜控制装置仅包括四个可变延迟装置以相对于所述第三中间信号仅可变延迟第一、第二、第四和第五中间信号。

13.根据权利要求1所述的相控阵天线系统，其中所述天线单元的阵列具有七个、十一个、十五个或十九个天线单元。

14.根据权利要求1所述的相控阵天线系统，其中所述倾斜控制装置和共电馈电装置包括分离装置和混合组合装置，以分离并组合信号并且分离装置和混合组合装置实现为双窝正交混合器以及和差混合器。

15.根据权利要求1所述的相控阵天线系统，其中一些所述驱动信号是单独的中间信号的部分而其它驱动信号是两个中间信号的部分的矢量和或矢量差。

16.一种操作具有电倾斜控制的相控阵天线系统作为处于发射模式的发射机的方法，该天线系统包括具有天线单元阵列的天线，并且该方法具有以下步骤：

a)将输入信号分离成至少第一、第二和第三中间信号；

b)相对于所述第三中间信号可变延迟所述至少第一和第二中间信号，其中第三中间信号相对于输入信号不受到延迟；

17.一种操作具有电倾斜控制的相控阵天线系统作为处于接收模式的接收机的方法，该天线系统包括具有天线单元阵列的天线，并且该方法具有以下步骤：

a)处理来自所述天线单元的接收信号，以生成至少部分包括所接收的信号的矢量组合的至少第一、第二和第三中间信号；

b)通过相对于所述第三中间信号可变延迟所述至少第一和第二中间信号并且将所延迟的中间信号与所述第三中间信号组合以提供输出信号来将所述中间信号转换成输出信号，其中所述第三中间信号相对于所接收的信号不受到延迟；以及

18.根据权利要求16所述的操作相控阵天线系统的方法，包括用以相同的速率变化并且一个延迟增加而另一个延迟减少的延迟相对于所述第三中间信号来可变延迟所述至少第一和第二中间信号的每一个的步骤。

19.根据权利要求18所述的操作相控阵天线系统的方法，其中所述可变延迟的步骤应用幅度彼此相等的相应延迟。

20.根据权利要求16所述的操作相控阵天线系统的方法，包括组合附近位置中的信号以避免电路交叉。

21.根据权利要求16所述的操作相控阵天线系统的方法，包括组合附近位置中的中间信号以生成天线单元的驱动信号并避免电路交叉。

22.根据权利要求16所述的操作相控阵天线系统的方法，包括提供具有横过阵列基本线性的相位波前的天线单元的驱动信号。

23.根据权利要求16所述的操作相控阵天线系统的方法，包括提供具有抑制旁瓣的幅度锥减以及倾斜所述阵列的射束而不损害射束形状的基本线性相位锥减的天线单元的驱动信号。

24.根据权利要求16所述的操作相控阵天线系统的方法，包括隔离不同频率的信号的发射和/或接收并且提供与不同倾斜控制相关联的独立电倾斜角。

25.根据权利要求16所述的操作相控阵天线系统的方法，包括信号分离以实施诸如余弦、余割或多尔夫-切比雪夫幅度锥减的幅度锥减。

26.根据权利要求16所述的操作相控阵天线系统的方法，包括相对于所述第三中间信号仅可变延迟第一和第二中间信号。

27.根据权利要求16所述的操作相控阵天线系统的方法，包括相对于所述第三中间信号仅可变延迟第一、第二、第四和第五中间信号。

28.根据权利要求16所述的操作相控阵天线系统的方法，其中所述天线单元的阵列具有七个、十一个、十五个或十九个天线单元。

29.根据权利要求16所述的操作相控阵天线系统的方法，包括用双窝正交混合器以及和差混合器来分离和组合信号。

30.根据权利要求16所述的操作相控阵天线系统的方法，其中一些所述驱动信号是单独的中间信号的部分而其它驱动信号是两个中间信号的部分的矢量和或矢量差。