CN101816100B - 天线配置 - Google Patents

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Abstract

一种用于多辐射器基站天线的天线配置，该天线具有基于充气同轴线(1，2，3)的馈送网络，其中每个同轴线包括外导体(8)和内导体(4，5，6)，其中天线中设置有包含介电部件(9)的可调节差分移相器，所述介电部件相对于至少一个同轴线(1，2，3)可纵向移动。

Description

天线配置
技术领域
本发明涉及一种用于多辐射器基站天线的天线配置，该天线具有基于充气同轴线的馈送网络，其中同轴线优选为天线反射器的集成部分。本发明特别涉及一种具有可变电斜仰角(elevation)的天线。下文中电斜仰角将被称为倾斜角。
背景技术
如今，例如蜂窝网络的无线通信系统中的天线通常采用多辐射器结构。当天线发射时，这种天线利用内部馈送网络将信号从公共同轴连接器分配到辐射器，当天线接收时，则方向与之相反。辐射器通常位于垂直列中。这种配置减小了天线的仰角波束宽度，并增加了天线增益。天线倾斜角由馈送辐射器的信号的相对相位确定。该相对相位可以是固定的，以向天线提供预先确定的倾斜角，或者如果需要可变的倾斜角，该相对相位可以是可变的。在后一种情况中，可以手动地或远程地调节倾斜角。
利用可调节的移相器的具有可变倾斜角的基站天线已经存在并广泛开发，但是迄今为止，其性能被引入内部馈送网络和移相器中的损耗所限制。馈送网络通常利用小尺寸的同轴电缆来实现，从而能够在小范围内用手弯曲并且价格优惠。这种电缆引入相当大的损耗。移相器通常以微带线或带状线技术实现，从WO 02/35651A1可知。相位移动可通过移动该结构中的介电部件来实现。导体通常具有很小的尺寸，并且因此会引入阻抗损耗。通常这种馈送网络以及移相器会引入1-3dB的损耗。这会导致天线增益下降1-3dB。
天线增益提高使得基站服务的范围增大，容量提高，且质量更佳，并为开发商带来可观的节省和更高的收益。
发明内容
因此本发明的目的是提供一种新的具有可变倾斜角的天线，相比于现有技术的具有可变倾斜角的天线，这种天线具有更高的天线增益。
该目的是通过一种具有可调节的差分移相器的天线来实现的，该差分移相器包括设置在天线中的介电部件，并且该介电部件相对于至少一个同轴线可纵向移动。
本发明涉及一种天线，其采用新型的可调节差分移相器，该差分移相器易于集成到具有低损耗馈送网络的天线中，如申请人先前的申请WO 2005/101566A1所述。图1示出了在该先申请中描述的用于固定倾斜角天线的典型馈送网络。该天线馈送网络采用多个分离器/合并器(互逆网络)，从而将信号分离/合并为两个或多个。为了文字上的简化，只描述分离(发射)功能，但是分离器/合并器是完全互逆的，这意味着同类型的原理也可应用于合并(接收)功能。通过用差分移相器替换固定倾斜天线中的一些分离器/合并器，可构成具有可变倾斜角的天线。图2和图3示出了这种可变倾斜角天线的两个实施例，但其他实施例也是可能的。
差分移相器是一种包含具有一个输入以及两个或更多个输出的分离器的装置。来自分离器的信号的差分相位根据移相器的设置而变化。
相位移动是通过移动位于同轴线的内导体和外导体之间的介电部件来实现的。一个已知的物理属性是，在传输线中引入具有比空气更高的介电常数的材料，将降低沿该传输线传播的波的相速。这也可以理解为延迟信号，或相比于在内外导体之间没有介电材料的同轴线而引入相位滞后。
在例如US-A-4,788,515中已经描述了利用在同轴线中引入介电材料的理论的可调节移相器，但是该文档描述的移相器，其中介电部件或多或少地被引入到同轴线中从而改变器件上的绝对相位移动，然而本发明描述了一种差分移相器，其中介电部件在同轴线内部移动，从而改变来自两个或更多个输出的一个或多个相对相位。
附图说明
现在结合附图所示的本发明的一组非限制性的实施例来详细地描述本发明，其中图1示出了根据现有技术的用于固定倾斜天线的公共馈送网络，图2示出了用于具有可变倾斜角的天线的馈送网络，包含差分移相器，图3示出了用于另一具有可变倾斜角的馈送网络，包含差分移相器和延迟线，图4示出了根据本发明的差分移相器的第一优选实施例，图5示出了图4中的差分移相器的横截面图，图6示出了图4和图5中的差分移相器的介电部件的实施例，图7示出了根据本发明的差分移相器的第二优选实施例，图8示出了图7中的差分移相器的横截面图，以及图9示出了图7和8中的差分移相器的介电部件的实施例。
具体实施方式
图4示出了根据本发明的差分移相器的一个实施例。该差分移相器包括一个输入同轴线1、第一输出同轴线2和第二输出同轴线3，在本实例中两个输出同轴线具有相同的长度。采用挤压金属型材8作为所有的同轴线的外导体，与WO 2005/101566A1所述的方式相同。输入同轴线内导体4通过跨接体(crossover)7连接到第一输出同轴线内导体5和第二输出内导体6，跨接体7被传导盖10覆盖。该差分移相器通常用于具有例如4、8或16个辐射器的天线中，图2示出了一个实例。图4中的差分移相器也可用于其他配置，例如图3所示。
介电部件9部分地填充第一和第二输出同轴线的内导体和外导体之间的空间。介电部件的介电常数高于空气的介电常数。
介电部件可沿第一和第二同轴输出线2和3移动，因此沿这些同轴线上可有各种位置。首先考虑介电部件9位于中心位置的情况，这相等地填充第一和第二输出同轴线。当信号进入输入同轴线1时，信号在第一输出同轴线2第二输出同轴线3之间分配，并且来自两个输出同轴线的信号相位相等。
如果介电部件9以这样的方式移动，即相比于第二输出同轴线3，第一输出同轴线2更多地被介电材料填充，从输入到第一输出的相移将增加。同时，第二输出同轴线3更少地被介电材料填充，而从输入到第二输出的相移将减少。因此，第一输出处的相位将落后于第二输出处的相位。
如果介电部件在相反方向上移动，第一输出的相位将领先于第二输出的相位。
图5示出了双向差分移相器的横截面。可以看到，介电部件9部分地填充内导体6和外导体8之间的空间。由于跨接体7，介电部件9不能完全地包围内导体6，因此在一侧必须有开口。C形的横截面可使同轴线的填充最佳，并且因此对于介电部件的给定移动，差分移相器将引入最大的相移。介电部件相对于外导体和内导体的位置影响相移和线阻抗，并且在其移动期间，其优选地被外导体构成的壁引导。介电部件可优选地由填充了具有高介电常数的陶瓷粉的聚合体材料来制造，但也可以采用其他材料。
在另一实施例中，差分移相器具有一个输入和三个输出。图7示出了该三路差分移相器。在该实施例中，移相器包括一个输入同轴线21，三个输出同轴线22、23和24，跨接体29，传导盖33和介电部件31。可以注意到，不论介电部件的位置如何，同轴线24的输出处的信号总是具有相同的相移，另外两个输出22和23的相对相位将根据如上文针对两路差分移相器所述的相同的原理变化。相应地，每个同轴线分别包含内导体25、26、27和28，以及外导体30，其优选地为天线反射器的集成部分。该差分移相器可用于具有例如3、5、6、10、15或20个辐射器的天线中，但是也可采用其他配置。
图9示出了可用于三路差分移相器的介电部件31的另一实施例。由于跨接体29的形状，该介电部件31的横截面是U形的。该介电部件的实施例的应用不限于三路差分移相器。该介电部件的其他实施例也是可能的。
上文所述的分离器/合并器通常用于50ohm系统。如果两个输出同轴线2和3是50ohm线，输入同轴线在两个输出同轴线的结点处会表现为25ohm。这将导致阻抗不匹配。为了在输入处保持50ohm，必须在输出同轴线、输入同轴线、跨接体或它们的组合中引入阻抗转换。通常通过改变沿着内导体的分段(segment)的直径，和/或通过改变跨接体的尺寸，或其相对于外导体的位置来实现阻抗匹配。如果在两个输出同轴线中的阻抗转换相同，功率将在两个输出之间均等地分配，而如果在两个输出同轴线中的阻抗转换不同，则功率分配将不均等。不均等的功率分配可用于修正天线的辐射图形。
将介电部件引入输出同轴线不仅产生相移，还降低了输出同轴线的特征阻抗。因此必须在输出同轴线的填充介电部件的部分以及没有填充介电部件的部分之间的接口处增加阻抗转换区段(section)。随着介电部件沿输出同轴线移动，不可能如上文所述通过调节输出同轴线的分段的直径来产生固定的匹配。相反地，是通过减少介电部件的末分段中的介电材料的量来进行阻抗转换。这些分段的长度通常为波长的四分之一。图6示出了介电部件的第一实施例，其具有两个阻抗匹配区段41和42，图9示出了U形介电部件的第二实施例，其具有阻抗匹配区段45和46。差分移相器的阻抗匹配必须考虑由于介电部件的存在而造成的输出同轴线的较低的阻抗。
如上文所述，为了在给定的介电部件的移动下获得最大的相移，需要用尽可能多的介电材料填充内导体和外导体之间的空间，还要采用高介电常数的材料，例如上文所述的陶瓷填充材料。陶瓷填充可能在介电部件和内导体及外导体之间造成很大的摩擦。为了减小摩擦，内导体和介电部件之间需要很大的空间，这是因为空间和几何公差造成的。通过在内导体周围放置某些类似PTFE的平滑材料的聚合体层12或32，可使介电部件接触该层。该层通常可以是PTFE管，但也可以使用其他来实现。该聚合体层需要完全地包围内导体。如果采用介电常数比空气高的材料来制造该层，例如PTFE，对于给定的介电部件的移动，会提高相移，即便聚合体层沿着同轴线具有固定的位置。
具有可变倾斜角的天线被设计成可在确定范围内，例如0到10度，来改变倾斜角。如果所需的倾斜角在x度和y度之间，在其中心位置设置有移相器的基本馈送网络将被设计为提供(x+y)/2度的倾斜角(中间倾斜角)。然后移相器可使倾斜角在该中间倾斜角的上下变化。
当采用如图7所示的三路差分移相器时，输出同轴线24的延迟比其他两个输出同轴线22、23的延迟小得多。因此必须通过图3所示的延迟线引入额外的相移。这样的延迟线可在开路同轴线结构中实现，如WO 2005/101566A1所述，例如，通过改变内导体的直径。
如WO 2005/101566A1所述，为了减少辐射损耗，有益地采用传导盖10、33覆盖输入同轴线和两个输出同轴线之间的结点。这与图4和图7中的差分移相器情况相同，为了醒目在图4和图7中传导盖用虚线表示。
此外，当在同轴线中引入介电部件时，可能出现新的问题。当引入介电部件时，沿同轴线传播的波的波长将变短。结果，在较高的频率上，波长可逼近同轴线的横截面的尺寸。这可能导致除了正常的TEM模式之外的其他模式传播。这可能导致从输出同轴线中的裂缝产生辐射损耗。确定天线时的一个重要参数是前后比，通常应该尽量高。如果输出同轴线辐射，该比率可以折中。如图4所示，通过引入传导盖11覆盖介电部件9可能位于的输出同轴线部分，可避免该辐射效应，或至少减少该辐射效应。盖11可电流地连接到输出同轴线的外导体8，或通过薄绝缘层电容式地连接到所述外导体。由于机械设计的限制，可能不能够覆盖介电部件可能位于的输出同轴线的整个长度。采用盖11，来仅覆盖介电部件9可能位于的长度的部分，在大多数情况下足以减少辐射和满足前后比的需要，并使得辐射损耗可忽略。
其他的解决方案可以采用没有狭槽的输出同轴线。这样需要加工来将输出同轴线开口以到达介电部件9。
如果介电部件对称地围绕穿过内导体中心的平面，且所述平面垂直于天线反射器，如图8所示，则仅有TEM模式传播，且因缺少上文提到的对称而造成的辐射损耗将被消除。无论如何仍需要覆盖跨接体的盖33。
迄今为止，本申请描述了一种包括一个馈送网络的单极化天线，但是相同的理念也可用于双极化天线。在这样的实施例中，天线将包括两个馈送网络，一个馈送网络用于两个极化中的每一个。

Claims (16)

1.一种多辐射器基站天线，具有包括充气同轴线(1，2，3)的馈送网络，其中每个同轴线包括外导体(8)、内导体(4，5，6)以及为至少一组输出同轴线(2，3)设置的包含介电部件(9)的可调节差分移相器，其特征在于，其中所述天线具有一组或多组一个输入同轴线(1)和两个输出同轴线(2，3)，其中两个输出同轴线(2，3)呈直线排列但指向不同的方向，输入同轴线(1)通过跨接体连接到两个输出同轴线(2，3)的每个的一端，并且所述介电部件(9)相对于至少一个同轴线(1，2，3)可纵向移动，从而通过移动位于两个输出同轴线(2，3)内的介电部件(9)，来改变输出处的相位。
2.一种多辐射器基站天线，具有包括充气同轴线(21，22，23，24)的馈送网络，其中每个同轴线包括外导体(30)、内导体(25，26，27，28)以及为至少一组直线排列的输出同轴线(22，23)设置的包含介电部件(31)的可调节差分移相器，其特征在于，其中所述天线具有至少一组一个输入同轴线(21)和三个输出同轴线(22，23，24)，其中两个输出同轴线(22，23)成直线排列但是指向相反的方向，而第三输出同轴线(24)平行于其他两个输出同轴线(22，23)，输入同轴线(21)通过跨接体连接到三个输出同轴线(22，23，24)的每个的一端，并且所述介电部件(31)相对于至少一个同轴线(21，22，23，24)可纵向移动，从而通过移动位于两个直线排列的输出同轴线(22，23)中的介电部件(31)，来改变两个输出(22，23)处的相位。
3.根据权利要求1或2所述的多辐射器基站天线，其特征在于，所述同轴线和所述可调节差分移相器是天线反射器的集成部分。
4.根据权利要求1或2所述的多辐射器基站天线，其特征在于，所述同轴线的外导体(8；30)具有纵向狭槽。
5.根据权利要求1或2所述的多辐射器基站天线，其特征在于，在横截面中，介电部件(9；31)在至少一侧至少部分地开口。
6.根据权利要求2所述的多辐射器基站天线，其特征在于，在横截面中，介电部件(31)围绕穿过内导体(26，27，28)的中心的平面实质上对称，且所述平面垂直于天线反射器。
7.根据权利要求1或2所述的多辐射器基站天线，其特征在于，介电部件(9；31)由外导体(8；30)引导。
8.根据权利要求1所述的多辐射器基站天线，其特征在于，内导体(5，6；26，27)至少部分地被聚合体材料层(12；32)包围。
9.根据权利要求8所述的多辐射器基站天线，其特征在于，介电部件(9；31)由内导体(5，6；26，27)引导。
10.根据权利要求1或2所述的多辐射器基站天线，其特征在于，内导体(4，5，6；25，26，27，28)的直径是变化的，并被选择以形成阻抗匹配网络。
11.根据权利要求1或2所述的多辐射器基站天线，其特征在于，介电部件(9；31)的尺寸在其末分段(41，42；45，46)减小，从而提高阻抗匹配。
12.根据权利要求1或2所述的多辐射器基站天线，其特征在于，所述差分移相器至少部分地被传导盖(10，11；33)覆盖，所述传导盖电流地连接到同轴线的外导体(8；30)。
13.根据权利要求1或2所述的多辐射器基站天线，其特征在于，所述差分移相器至少部分地被传导盖(10，11；33)覆盖，所述传导盖电容式地连接到同轴线的外导体(8；30)。
14.根据权利要求1或2所述的多辐射器基站天线，其特征在于，所述天线包括双极化辐射器。
15.根据权利要求2所述的多辐射器基站天线，其特征在于，内导体(5，6；26，27)至少部分地被聚合体材料层(12；32)包围。
16.根据权利要求15所述的多辐射器基站天线，其特征在于，介电部件(9；31)由内导体(5，6；26，27)引导。
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