CN101651242B - 小型化td-scdma电调智能天线移相器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种应用于TD-SCDMA电调智能天线的小型化移相器。此移相器的基本方案为：一条形状为梳形的带状线位于上反射板与下反射板中间，悬空固定。介质块插入反射板与带状线之间，并且被机械传动机构带动沿横方向移动，以改变传输信号的相位。本发明中新颖的梳形带状线移相器与传统的带状线移相器相比能够在移相量相同的条件下大大缩小移相器的体积。基于本发明的基本方案，合理的改变介质块的形状，添加功分网络，可构成本发明的其它具体实施方案。

Description

小型化TD-SCDMA电调智能天线移相器

技术领域

本发明属于天线工程技术领域，具体来说是一种适用于TD-SCDMA基站电调智能天线的小型化移相器。

背景技术

在移动通信迅速发展的今天，每个区域的不同时间用户的数量、密度是不同的，为了适应这种变化，达到最佳的收发状态，常常需要调整天线波束的下倾角。

在常规的通信基站中，天线波束下倾角的调谐是依靠安装在天线上的机械倾斜装置的。设备管理人员经常需要攀爬到架设的天线上面，手工旋转天线，以达到粗略调整波束倾角的目的。当然这种方法费时费力，完全不能满足实时通信的需要。因此电可调的智能天线成为一种全新的发展趋势。

电调智能天线可在控制室内利用电控开关或是电控机械装置控制移相器，这样可以很方便的改变各个阵元的馈电相位，从而改变整个天线阵的波束指向。这种方法节约了人力，同时可以做到基本无延时的调整波束下倾，完全能够满足不断改变通讯条件的实时通信的需要。

移动天线使用的连续可变移相器，其具体实现方法有两种，一种是改变导体与接地平面之间材料的介电常数。另一种方法是改变信号传输路径的长度。

第一种方法典型的如中国专利96193925.7，是由三个单元组成的天线阵。该天线阵的移相器是由介质微带板，介质滑动板和底板构成。介质微带板上刻有微带线和分支线。当介质滑动板沿纵向移动时，与一个辐射体连接的微带曲线段内的信号传输速率被减小，与另一个辐射体连接的微带曲线段内的信号传输速率被增加。造成一个相位超前，另一个相位滞后，各自相对于中间的辐射单元的相位差分别是+p，-p，以此实现波束扫描。这种相位器存在有如下不足：随着介质片介电常数ε_r的增大，带来的插入损耗也迅速增大，而高ε_r低插入损耗的介质是很难得到的，而且价格极其昂贵。如果使用低ε_r的材料，要得到相同的相移，介质块滑动的距离就很大，必然会造成整个移相器的体积增大。可见这种移相器在减小体积，降低损耗，避免失配，降低成本等几个方面均存在着很大的弊端。

又如中国专利申请号03154962.4一种名为“混合移相器和功率分配器”的电调移相器，其可变移相器部分包括传输线和一个位于电介质区域内位置可变的电介质片。电介质片与传输线的位置决定了传输信号相位的改变。此种移相器在现有通信基站中已经广泛投入使用。但在一定的体积内此种移相器的移相范围显得比较窄。或者说在达到一定移相范围的条件下，这种结构的电调移相器体积偏大，还有很大改进的空间。因此，若将该电调移相器直接应用于TD-SCDMA智能天线，必然使天线尺寸大幅度增加。

在改变信号传送路径长度的方法中，最典型的是中国专利申请号00802132.5中描述的“高频移相器组件”。其特征在于至少有另一个与第一带状导体段同心设置的带状导体段，备有另外的连接导线，由此至少间接地从馈电导线到各个配属带状导体段的分接部分产生电连接，在至少两个带状导体段上，在相互错置的分接点上至少两对不同的天线辐射器以不同的相位角可控。这种结构非常节省空间，有较高的集成密度。但在这设计当中，要单凭大小弧之间的一级阶梯变化实现多个输出端口和输入端口之间的阻抗匹配较为困难，这对于电调天线的传输特性和驻波比都有比较大的影响。

同样，在中国专利申请号200480026435.8中描述了一种称之为“具有功率分配功能的移相器”。这种移相器最大的特点是不像在常规移相器中包含的杆形相位延迟单元，此移相器的相位延迟单元形状像弧形梳，这样在输出端和移相单元之间的信号距离较大，从而使信号延迟最大化。但是这种金属间摩擦滑动式移相器存在一个很大的问题就是易腐蚀，且在大功率下金属间非紧密连接易出现打火现象。且在不同下倾角工作的时候，天线的一致性变差。再者，这种移相器本身结构复杂，成本较高，不利于大规模生产加工。

发明内容

本发明鉴于上述技术背景实现，目的在于提供一种电调移相装置以解决上述问题。其新颖性在于通过对传输线结构的发明和创新，可以使此移相器与传统移相器相比能够在同样体积的情况下实现更大范围的相移，或者说可以在与传统移相器相移范围等同的情况下显著缩小移相器的尺寸。

本发明提供了一种用于TD-SCDMA基站电调天线的小型化移相器，它包括以下基本方案和其它实施方案。

此移相器的基本方案，包括上下反射板、可滑动介质块以及带状线。带状线位于上反射板与下反射板中间，悬空固定。介质块插入反射板与带状线之间，可被机械传动机构带动其沿箭头方向移动，以改变传输信号的相位。

本发明突出的特点就是带状线使用梳形金属条带实现，以求扩大移相范围或缩小移相器体积。另外，移相器在工作时，介质块在传输线与上下盖板之间移动，只改变传输线上信号的相位延迟，不会影响传输线的特性阻抗。所以，天线在不同下倾角工作时，一致性良好。并且，由于上下盖板的存在，能量被约束在上下盖板之间，没有辐射损耗；且上下盖板与传输线之间介质为空气，介电常数稳定，损耗小，这样整个移相器的损耗就可以控制到很小。此种移相器只需要介质块沿特定方向移动即可以达到大幅度移相的目的，结构极其简单，因此成本低廉，便于大规模加工生产和使用。

在本发明的一个实施方案中，介质块被做成阶梯形和其它不规则图形。这主要是为了达到在介质滑动过程中对移相角度线性化的目的。即力求介质块每滑动一毫米，移相器对信号都产生相同的相移。

在本发明的另一个实施方案中，多个移相器被应用于带有功率分配功能的移相网络中，此功分移相网络可对一天线阵列的各个阵元进行功率分配和可调移相。

附图说明：

图1为本发明——小型化TD-SCDMA电调智能天线移相器的顶视图；

图2为本发明——小型化TD-SCDMA电调智能天线移相器的侧视图；

图3为本发明移相量的仿真结果图。

图4为本发明实现相位线性变化的结构示意图；

图5为本发明应用于功率分配网络的示意阻；

图6为本发明应用于六元均匀直线阵的示意图。

基本原理：

众所周知，电磁波在经过一定长度l的传输线时，会产生相应的相移，相移量

其中 ${\mathrm{\λ}}_g=\frac{\mathrm{\λ}}{\sqrt{{\mathrm{\ϵ}}_r-{\left(\frac{\mathrm{\λ}}{{\mathrm{\λ}}_c}\right)}^2}}---\left(2\right)$

由上式可见，相移量

随着线长l和传输线的等效介电常数ε_r的增加而增大。

在本发明的这种滑动介质块逐步改变传输线等效介电常数ε_r的机制中，传输线长度l越长，自然移相量就会越大。

因此，我们把带状线改进成为梳形带状线。开敞式梳形是一种周期结构，它的周期性边界条件会对传输的信号起到一定的影响，因此它是一种慢波结构。传输信号通过这种慢波结构时，就相当于传输线长度从l变为l_c，在同样的介质滑动的情况下，移相量

会变为原来的l_c/l倍。

具体实施方案：

图1和图2示例性的描述了本发明的具体实施方案。依据图示描述，本装置包括上反射板11和下反射板12。示例中两块反射板由铝板制成，当然也可以由其它金属材料制成。

在上反射板11和下反射板12中间，传输线2平行放置。此传输线2特别地被设计成梳状结构，其拥有一个输入端口21和一个输出端口22，输入端口21和输出端口22结构相同，因此输入端口与输出端口可以互换，即传输的信号可以沿箭头B方向传输，也可沿B的反向传输。在此例中，此传输线2是由压制黄铜或其它导电金属材料制成。特别的，此传输线2也可在双面覆铜的介质板上蚀刻而成。此传输线2可由介质支架或是别的其它别的结构固定在上反射板11与下反射板12之间，与上下反射板保持平行。

在传输线2与上反射板11之间是第一电介质区域41，传输线2与下反射板12之间是第二电介质区域42。这两个电介质区域均由空气填充。

此方案还包括位于第一电介质区域41之间的可移动电介质块311、321、331与第二电介质区域42间的可移动电介质块312、322、332。当然，介质块的数量不局限于此，不过方案中至少应包括一个介质块。介质块可以沿箭头A的方向和A的反向来回滑动，从而引起传输信号相位的改变。相位的改变量是介质块滑动距离的函数。介质块形状及其间距不局限于图中所示，设计人员可据需要改变介质块的数量、形状和间距，以达到减小反射的目的。

介质块可与机械步进马达或其他机械传动机制连接(图中未画出)，从而实现远距离的、即时的移相操纵。

实施方案的具体操作：

一微波信号从输入端口21输入，沿传输线2传输。此时，调整机械传动机制，带动位于传输线2与上反射板11之间的第一电介质区域41中的介质块311、321、331和位于传输线2与下反射板12之间的第二电介质区域42中的介质块312、322、332沿A向或A向的反向运动，即对传输线进行介质加载。相比加载前或是加载的其它位置，传输线的等效介电常数就产生了变化，就是这个变化导致了传输信号相位的改变。

相位的改变量根据等效介电常数的变化而定，也就是根据介质块插入电介质区域41和42中的位置而定。比如说，一开始介质块滑动到A的反向最大值，此时，介质块对传输线的介质加载作用是最小的，也就是说此时传输线的等效介电常数最小。根据式(1)和式(2)，此时输出信号与输入信号间的相位改变是最小的。随着介质块沿A向不断的滑动，对传输线的介质加载作用就越来越明显，传输线的等效介电常数也越来越大，据式(1)和式(2)描述，输出端口相对于输入端口的相位变化也越来越大。显而易见，这种相位变化是介质滑动位置的函数。

当然，介质块的数量、形状和间距不局限与图中所示，只要能满足逐步改变传输线等效介电常数的目的，均属于本发明涉及范围。

图3描述了本发明仿真的移相效果图。图中各个线条代表的是介质块沿A向滑动到不同位置时输出端口的相位。图示中d指的是介质块外沿距离梳状金属带线外沿的长度(如图1所示)。其中d＝0mm的位置是介质片对金属条带影响最大的位置；d＝16mm的位置是介质片对金属带影响最小的位置。如图所示，本发明的这种实施方案使用较低介电常数的介质片在长度小于100毫米的条件下实现了超过120度的相移。相比较目前已经投入使用的移相器，本发明的这种实施方案在体积相同的条件下，移相量增加了一倍多；并且使用了较低介电常数的介质板，大大节约了生产成本。

图4描述了本发明的第二种实施方案。在此方案中，介质块311、321、331、312、322、332被做成阶梯状或其他不规则形状。这样做的目的是要在介质块滑动的过程中产生线性的相位变化。比如说，介质块沿A向滑动的范围是15毫米，在此过程中总的相位变化是120度，那么我们所做的就是使介质块每滑动1毫米，相位变化8度。当然，介质块的数量、形状和间距不局限于图中所示，只要能满足相位线性变化的目的，均属于本方案涉及范围。

图5描述了本发明的第三种实施方案。在这种方案中，多个移相器被应用于带有功率分配功能的移相网络中，构成多级功率分配器和移相器。图示结构为三级功率分配和移相网络。如图所示，此结构包括三个移相器01、02、03和三个功率分配结构51、52、53。一个输入端口21，三个输出端口22、23、24。其中，每一级结构都包括一个移相器、一个功分器、一个输入端口和两个输出端口(最后一级只有一个输出端口)，每一级的输入端口都是上一级的输出端口。具体来说，第一级结构包括移相器01、功分器51、输入端口21和输出端口23、25，第二级结构包括移相器02、功分器52输入端口25和输出端口24、26，第三级结构包括移相器03、功分器53输入端口26和输出端口22。

当然，这种功率分配与移相网络不局限于图中所示，工程设计人员可以根据工程需要设计网络的级数以及调整各个端口输出功率的比值。

图6描述了本发明的一个应用实例，即把本发明应用到一个三元天线阵列中。如图中所示，此天线阵的馈电网络为第三种实施方案中描述的功率分配与移相网络，天线001、002、003、004、005、006分别通过同轴电缆依次连接到功率分配与移相网络的各个输出端口。这样，通过调节连接各个移相器的机械传动机构，就可以很方便快捷的改变各个天线的馈电相位，从而改变此天线阵的波束下倾角。

以上是向熟悉本发明领域的工程技术人员提供的对本发明及其实施方案的描述，这些描述应被视为是说明性的，而非限定性的。工程技术人员可据此发明权利要求书中的思想做具体的操作实施，自然也可以据以上所述对各种实施方案做一系列的变更。而且，本发明并不局限于TD-SCDMA频段，本发明的思想自然可以移植到其它不同的频段的移相器。上述这些都应被视为本发明的涉及范围。

Claims (6)

1.一种小型化TD-SCDMA电调智能天线的移相器，包括上反射板、下反射板、位于上下反射板之间悬空固定的梳状传输线、位于反射板与传输线之间的电介质区域以及位于电介质区域中的可滑动介质块，其特征在于，所述传输线为基于慢波结构的梳状传输线。

2.根据权利要求1所述的一种小型化TD-SCDMA电调智能天线移相器，其特征在于包含至少一个可滑动介质块，各个介质块可用固定装置连接起来。

3.根据权利要求2所述的一种小型化TD-SCDMA电调智能天线的移相器，其特征在于固定装置可与机械传动机构相连接。

4.根据权利要求3所述的一种小型化TD-SCDMA电调智能天线移相器，其特征在于可滑动介质块在机械传动机构的带动下沿横向往返移动，以达到连续改变相位的目的。

5.根据权利要求1所述的一种小型化TD-SCDMA电调智能天线移相器，其特征在于针对于不同的设计要求，介质块的材料、形状和间距可以有所不同。

6.根据权利要求1所述的一种小型化TD-SCDMA电调智能天线移相器，其特征在于电介质区域由空气填充。

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