CN102460824B - 用于垂直波束倾斜受控的天线的多路移相器 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种用于垂直波束倾斜受控的天线的多路移相器(MLPS)，其中壳体成形为细长矩形盒，固定板附接在壳体的内侧底面上并且具有印刷在其上的传输线路，该传输线路形成用于分割输入信号并且偏移分割出的信号的相位的多个相移图案和多个信号分割图案的部分，并且活动板安装在壳体内，可在活动板接触固定板的表面的位置处沿着长度方向移动，并且具有印刷在其上的传输线路，该传输线路通过与多个相移图案的所述部分耦合形成可变线路而形成用于相移的多个相移图案的剩余部分。

Description

用于垂直波束倾斜受控的天线的多路移相器

技术领域

本发明的实施例大体上涉及移动通信系统中的天线，更特别地涉及作为用于控制天线的垂直波束倾斜的核心部件的多路(Multi-Line)移相器(MLPS)。 

背景技术

尽管最初固定天线被用于移动通信系统中的基站(BS)，但能够垂直和/或水平波束倾斜的垂直波束倾斜受控的天线由于其益处而近来得以普及。对于垂直波束倾斜受控的天线而言，可获得机械波束倾斜和电气波束倾斜。 

机械波束倾斜依赖于与天线中的支撑极接合的部分处的手动或力驱动的支架结构。天线的安装倾角根据支架结构的操作而改变，由此能够实现天线的垂直波束倾斜。同时，电气波束倾斜基于MLPS。通过改变向垂直布置的天线辐射元件提供的信号之间的相位差来对天线电气地实现垂直波束倾斜。在由EMS技术有限公司提交的标题为“垂直电气下倾天线(Vertical Electrical Downtilt Antenna)”的美国专利No.6,864,837(由Donald L.Runyon等人发明并且于2005年3月8日登记)中公开了垂直波束倾斜技术的示例。 

MLPS对于电气垂直波束倾斜而言是必需的。MLPS用在射频(RF)模拟信号处理终端的各种领域中，用于相位调制以及相位阵列天线(phase array antenna)的波束控制。MLPS基于通过适当地延迟输入信号而在输入信号与输出信号之间发生相位差的原理来操作。可以通过简单地对传输线路的物理长度求微分或通过以各种形式对沿着传输线路的信号传播速度求微分而获得相位差。MLPS通常构造为 例如通过改变传输线路的长度来改变相移。 

特别地，移动通信系统近来需求这样的技术：通过控制BS中的相位阵列天线的垂直波束角度来调谐地改变相位阵列天线中的每个辐射元件的相位以便调节BS的覆盖率。为了满足该需求，开发了并且广泛使用了各种结构的MLPS。具体地，MLPS可具有将输入信号分为多个输出信号并且适当地控制每个输出信号的相位差的结构。例如，在由Etenna公司提交的标题为“低成本可调U形波导节线路波束形成器(Low Cost Trombone Line Beamformer)”的美国专利No.6,831,692(由William E.McKinzie，III等人发明并且于2004年12月14日登记)中公开了涉及用于垂直波束倾斜的MLPS的技术。 

然而，主要朝着其结构改进或改变处理后的信号的相位的性能的改进耗尽MLPS的研发努力，而不涉及诸如为相位阵列天线的安装有MLPS的天线的结构。据此，存在研究和开发具有改进性能和结构的MLPS的需求。 

发明内容

技术问题 

本发明的示例性实施例的一方面在于至少解决问题和/或缺点并且至少提供下述优点。据此，本发明的示例性实施例的一方面在于提供具有最佳结构和稳定的机械结构的MLPS，供垂直波束倾斜受控的天线之用。 

本发明的示例性实施例的另一方面在于提供用于减少信号损失的MLPS，供垂直波束倾斜受控的天线之用。 

本发明的示例性实施例的又一方面在于提供用于防止供电电缆的扭曲的MLPS，供垂直波束倾斜受控的天线之用。 

技术方案 

根据本发明的示例性实施例的一方面，提供了用于垂直波束倾斜 受控的天线的多路移相器(MLPS)，其中壳体成形为细长矩形盒，固定板附接在壳体的内侧底面上并且具有印刷在其上的传输线路，该传输线路形成用于分割输入信号并且偏移分割出的信号的相位的多个相移图案(pattern)和多个信号分割图案的部分，并且活动板安装在壳体内，其可在活动板接触固定板的表面的位置处沿着长度方向移动并且具有印刷在其上的传输线路，该传输线路通过与多个相移图案的所述部分耦合形成可变线路而形成用于相移的多个相移图案的剩余部分。 

有益效果 

从以上描述显而易见的是，根据本发明的用于垂直波束倾斜受控的天线的MLPS具有最佳结构和稳定的机械结构。此外，由于供电电缆没有被扭曲，因此MLPS可以降低处理后的信号的损失。 

附图说明

从结合附图的下述详细描述将更加明了本发明的特定示例性实施例的以上及其他目的、特征和优点，在图中： 

图1是根据本发明的示例性实施例的用于垂直波束倾斜受控的天线的MLPS的重要部分的外观透视图； 

图2是图1的正视图； 

图3是图1中所示的壳体和固定板的透视图； 

图4是图3的正视图； 

图5是图1中所示的活动板的透视图； 

图6是图5中所示的活动板的底部透视图； 

图7是图1中所示的固定板和活动板的布线图； 

图8是图7的等效电路图； 

图9是根据本发明的示例性实施例的应用MLPS的天线的示意图； 

图10A和10B示出了根据本发明的另一示例性实施例的MLPS的结构；以及 

图11示出了用于根据本发明的示例性实施例的MLPS的驱动器。 

在各图中，相同的附图标记将被理解为指代相同的元件、特征及结构。 

具体实施方式

提供了诸如详细构造和元件的在说明书中限定的事宜来辅助于充分理解本发明的示例性实施例。据此，本领域普通技术人员将意识到，在不背离本发明范围和精神的情况下可以对本文所述实施例做出各种变更和改型。此外，为了清晰和简明，省略了对公知功能和构造的说明。 

图1是根据本发明的示例性实施例的用于垂直波束倾斜受控的天线的MLPS的重要部分的外观透视图，并且图2是图1的正视图。 

参考图1和图2，根据本发明的MLPS设置有成形为细长矩形盒(即，垂直伸长的矩形六面体)的壳体10。通常，垂直延伸的相位阵列天线中的辐射元件被垂直布置。MLPS的壳体10的这种形状便于同样垂直延伸，例如在反射板的底面或侧表面上垂直延伸的垂直波束倾斜受控的天线中的安装。 

MLPS固定地附接到壳体10的底面上。相对于壳体10的长度方向在壳体10的上下端部处印刷用于连接一个输入端口(未示出)与多个输出端口(未示出)的图案，通过这些输出端口输出从输入信号分割出的信号。MLPS还包括固定板14，在固定板14上印刷有在输入部分与多个输出端口之间形成多个相移图案和多个信号分割图案的一部分的传输线路以便分割输入信号并且改变所分割的信号的相位。 

MLPS还包括活动板12，该活动板12安装成在其接触固定板14的表面的位置处纵向滑动。在活动板12接触固定板14表面的表面上 形成传输线路，该传输线路通过与固定板14的多个相移图案的部分耦合形成可变线路而形成用于偏移相位的多个相移图案的剩余部分。 

多个相移图案的印刷在固定板14上的部分与多个相移图案的印刷在活动板12上的剩余部分耦合，从而实现MLPS。随着活动板12移动，每个具有可变线路结构的多个相移图案成正比例地或成反比例地改变相位。通过将薄基底附接在活动目标壳体上而形成活动板12。沿着活动板12的移动方向在基准轴线上成排地印刷可变线路结构的多个相移图案。因此，整个板结构可以沿着长度方向伸长。另外，由于两个板12和14堆叠在壳体10内，因此使得MLPS细长。 

典型地，MLPS连接至附加单个输入分配器(divider)以便实现例如5路分配器。该设计可降低MLPS的尺寸，但由于供电线路(电缆)的加长长度而增加了信号损失。另一方面，通过将5路分配器与相移电路集成为一个板来设计本发明的MLPS，并且沿着天线的长度布置本发明的MLPS。因此，减轻长度损失并且减小MLPS的尺寸，而不会扭曲电缆。 

在如此构造的MLPS中，可将印刷在固定板14和活动板12上的多条传输线路实施为微带线路或带状线路。另外，固定板14和活动板12可构造为有空气基底或电介质基底。绝缘层由在固定板14和活动板12的接触表面的至少之一上的适当材料形成，从而使得活动板12可在固定板14上的顺滑地滑动，并且可保护面向彼此的微带线路免受摩擦引起的破损。 

在壳体10的一个表面上，例如在如图1和图2中所示在壳体10的顶面上形成开口，由此露出活动板12的一部分。从而手动或力驱动驱动器可通过开口连接至活动板12，从而使得活动板12沿着壳体10的长度移动。驱动器可构造为单独及同时地控制两个MLPS。 

图3是图1中所示的壳体和固定板的透视图，并且图4是图3的正视图。 

参考图3和图4，固定板14安装在壳体10的内侧底面上。以使 固定板14与壳体10的接触表面尽可能紧密的方式将固定板14焊接或粘合到壳体10上。由此引起的挠曲或变形的减少导致活动板12在固定板14的印刷有传输线路的顶面上的顺滑滑动。为了改进无源互调失真(PIMD)，可通过焊接使固定板14与壳体10完美地电接触。 

图5是图1中所示的活动板的透视图，并且图6是图5的底部透视图。 

参考图5和图6，在活动板12的顶面上，即在活动板12的面向壳体10的内侧顶面的表面上，设置有多个球形柱塞(plunger)122。当将活动板12安装在壳体10中时，球形柱塞122用于按压活动板12。因此，活动板12可紧密地接触固定板14并且相对于壳体10的内侧顶面更加顺滑地滑动。 

参见图6，多个相移图案形成在活动板12的底面上，用于与固定板14的多个相移图案的部分耦合。多个相移图案单独印刷在可以单独地插入到活动板12的底面上以及从底面上拆除的多个副板(sub-plate)124上，而不是将它们一起印刷在活动板12的底面上。 

可将多个副板124插入到形成于活动板12的底面的适当位置处的多个安装槽126中。弹簧125夹设在副板124与安装槽126之间，从而施加弹性力以推压副板124。因此，使得每个副板124与固定板14紧密接触，并且在副板124的相移图案与固定板14的相移图案之间实现稳定耦合。 

由于活动板12具有多个相移图案单独而不是一起形成在多个副板124上的上述构造，活动板12可以顺滑地滑动，而不产生可能在固定板14上引起的挠曲或变形的重大影响。 

图7是图1中所示的固定板和活动板的布线图，并且图8是图7的等效电路图。 

参考图7和图8，在固定板14上形成图案IN和P1～P5，以便将单个输入端口连接至多个输出端口，其中将从输入到输入端口的信号中分割出的信号输出到多个输出端口。输入端口和输出端口形成在固 定板14相对于壳体10的长度方向的上下端处。 

在图7的所示情况下，举例来讲，将输入到输入端口的信号分割为五个信号，并且将分割出的信号传输到五个输出端口。例如，图案IN、P5和P4在相对于壳体10的长度方向的下端处依次从左向右形成以分别连接至输入端口、第五端口以及第四端口。此外，图案P1、P2和P3在相对于壳体10的长度方向的上端处依次从左向右形成以分别连接至第一端口、第二端口以及第三端口。 

用于分割输入信号并且偏移分割出的信号的相位的多个相移图案i1-i2、f1-f2、l1-l2、q1-q2以及多个信号分割图案c-f1-l1-d、h-i1-j、n-q1-o的部分定位在针对输入端口的图案IN与针对第一至第五输出端口的图案P1～P5之间。输入端口的连接图案IN延伸至图案a、b、c然后在图案c处分支为图案f、l、d。图案d延伸至图案e并且连接至第三输出端口的连接图案P3。图案f连接至图案g和h然后分支为图案i和j。图案j延伸至图案k并且连接至第二输出端口的连接图案P2，并且图案i连接至第一输出端口的连接图案P1。图案l连接至图案m和n然后分支为图案o和q。图案o通过图案p连接至第四输出端口的连接图案P4，并且图案q连接至第五输出端口的连接图案P5。 

图案f、i、l以及q意在形成用于相移的可变线路，其中每个图案被设计为使其被分为针对预定长度彼此平行的两个图案f1和f2、i1和i2、或q1和q2。活动板12的相移图案124a～124d在对应于平行部分的位置处成形为“U”形，并且与图案f、i、l、q的平行部分相一致地定位U形传输线路的端部。因此，在图案f、i、l、q的平行部分与U形传输线路之间发生电容耦合。随着活动板12移动，图案f1与f2、i1与i2、l1与l2、以及q1与q2之间的传输线路的物理长度归因于耦合。从而，所得到的信号具有变化的相位。 

在上述构造中，被输入到输入端口的连接图案IN的信号初次在图案c-f-l-d处被分割，并且将图案d处的分割出的信号通过图案e输出到第三输出端口。在图案f处分割出的信号初次被相位偏移，沿着 图案g和h传送，然后在图案h-i-j处被二次分割。将图案j处的分割出的信号通过图案k输出到第二输出端口，并且图案i处的分割出的信号被二次相位偏移然后被输出到第一输出端口。 

同时，从图案c-f-l-d处的初次信号分割得到的图案l处的分割出的信号被初次相位偏移，沿着图案m和n传送，然后在图案n-g-o处被二次分割。将图案o处的分割出的信号通过图案p输出到第四输出端口，并且图案g处的分割出的信号被二次相位偏移然后被输出到第五输出端口。 

参考作为传输线路的电路图的图8，总体上，将图案a～q设计为使得每个图案具有与相邻图案阻抗匹配的不同电阻值，并且最佳地设定针对每个输出端口的分割比。另外，将每个图案设计为具有带有相对于频带的λ/4特性的长度。 

更明确地讲，第一至第五输出端口依次连接至在天线中垂直布置的五个辐射元件。针对每个输出端口预设输入信号的适当分割比，而不是相同的分割比。也就是说，可适当地设定提供给每个辐射元件的输出信号的分割比以改进天线波束图案的旁瓣特性。 

由活动板12上的相移图案124a～124d引起的相位变化被设定为相互成正比或成反比。例如，将相移图案124a～124d设计为，如果下侧两个相移图案124c和124d的可变线路的长度增加，则上侧两个相移图案124a和124b的可变线路的长度减少。因此，第一至第五输出端口可分别具有4X、2X、0X、-2X、-4X的相位变化。X代表相位变化。0X指示没有相位变化，并且2X/4X意味着相位变化4X是相位变化2X的两倍大。按照这样，依次连接至第一至第五输出端口的第一至第五辐射元件具有不同的相位变化，由此实现垂直波束倾斜。 

本文中注意到，输入端口、第五输出端口以及第四输出端口的连接图案IN、P5、P4和第一输出端口、第二输出端口以及第三输出端口的连接图案P1、P2、P3以最佳的顺序形成。也就是说，根据本发明相移图案沿着基准轴线成排形成。例如以这样的方式设计这些图 案使得将经历一个相移图案的信号输出到第二输出端口，而将经历两个相移图案的信号输出到第一输出端口，由此实现其中一个双倍于另一个的相位变化。 

典型地，辐射元件沿纵向布置在能够垂直波束倾斜的天线中，诸如相位阵列天线。从而本发明的结构在天线布置的相同方向上，即沿着长度方向伸长。另外，适当地布置输出端口，用于连接至第一至第五辐射元件，从而使得用于将输出端口连接至辐射元件所需的供电线路长度减小，并且所得到的相位阵列天线中的功率损失的减小提高了增益。 

图9是根据本发明的示例性实施例的应用MLPS的天线的示意图。参考图9，每个都是多个偶极子的组合以生成线性正交偏振波的辐射元件，例如第一至第五辐射元件20-1～20-5依次沿纵向布置在天线中。根据本发明的MLPS可分别安装在天线中的两个位置处，以便生成+45度和-45度的偏振波。 

连接电缆有效地连接在MLPS 10的输出端口与辐射元件20-1～20-5之间而不发生扭曲。 

图10A和10B示出了根据本发明的另一示例性实施例的MLPS的结构。具体地，图10A示出了根据本发明的另一示例性实施例的MLPS中的固定板和活动板的图案，并且图10B示出了从MLPS的输出端口输出的信号的相位变化。 

参考图10A和图10B，根据本示例性实施例的MLPS具有一个输入端口和四个输出端口。也就是说，将MLPS设计为应用于具有偶数数量的辐射元件(即四个辐射元件)的天线。与图1至9中所示的MLPS结构相比，该MLPS不具有针对一个输出端口的图案(例如，图1至9中的第一输出端口的连接图案P1)。 

在MLPS中，用于连接至第一和第二输出端口的图案P1、P2在相对于壳体10的长度方向的上端处依次从左向右形成，并且用于连接至输入端口、第四以及第三端口的图案IN、P4、P3在相对于壳体 10的长度方向的下端处依次从左向右形成。可将MLPS设计为使得针对第一至第四输出端口的相位变化分别为1X、0X、-1X、-2X。 

图11示出了根据本发明的示例性实施例的MLPS的驱动器。参考图11，MLPS在壳体10的顶面上具有开口以露出活动板12的一部分。力驱动驱动器通过该开口连接至活动板12，从而使得活动板12沿着壳体10的长度方向移动。 

更具体地，驱动器可包括用于根据外部驱动控制信号而操作的驱动马达30。驱动马达30可连接至小齿轮302。活动板12可连接至驱动传动轴310的一侧，并且在驱动传动轴310的另一侧形成齿条312。齿条312可连接至驱动马达30的小齿轮302。因此，随着驱动器30操作，齿条302与小齿轮312相互配合并且驱动传动轴310移动。结果，活动板12移动。 

尽管参照本发明的特定示例性实施例显示并且描述了本发明，但本领域技术人员将理解，在不背离所附权利要求及其等效内容所限定的本发明的精神和范围的情况下，可进行形式和细节的各种变更。 

Claims (6)

1.一种用于垂直波束倾斜受控的天线的多路移相器（MLPS），包括：

壳体，其成形为细长矩形盒；

固定板，其附接在所述壳体的内侧底面上并且具有印刷在所述固定板的面向所述壳体的内侧顶面的表面上的传输线路，所述传输线路形成用于分割输入信号的多个信号分割图案以及用于偏移分割出的信号的相位的多个相移图案的部分；以及

活动板，其安装在所述壳体内，可在所述活动板接触所述固定板的表面的位置处沿着长度方向移动，并且具有印刷在其上的传输线路，所述传输线路通过与所述多个相移图案的部分耦合形成可变线路而形成用于相移的多个相移图案的剩余部分；

其中，在所述固定板中，在相对于所述壳体的长度方向的上端处印刷有用于连接多个输出端口的图案以及在相对于所述壳体的长度方向的下端处印刷有用于将一个输入端口连接至多个输出端口的图案，并且在所述输入端口与所述多个输出端口之间形成所述传输线路，其中在相对于所述壳体的长度方向的下端处形成所述输入端口，并且在相对于所述壳体的长度方向的上端和下端处形成多个所述输出端口；

其中，印刷在所述活动板上的所述多个相移图案的所述剩余部分被单独印刷在多个副板上，其中所述多个副板被插入形成于所述活动板的底面上的多个安装槽中，并且

其中，弹簧夹设在所述多个副板与所述多个安装槽之间，用以施加弹性力以推压所述多个副板。

2.根据权利要求1所述的MLPS，其中，形成在所述固定板和活动板上的所述多个相移图案相互成正比或成反比地改变相位，并且沿着所述活动板的移动方向在基准轴线上被印刷成排。

3.根据权利要求1所述的MLPS，其中，在所述活动板的面向所述壳体的内侧顶面的表面上安装多个球形柱塞。

4.根据权利要求1所述的MLPS，其中，所述固定板具有一个输入端口连接至五个输出端口的结构，从所述输入端口的输入信号分割出的信号被输出到所述五个输出端口，用于连接至所述输入端口、第五输出端口以及第四输出端口的图案在相对于所述壳体的长度方向的下端处依次从左向右形成，用于连接至所述第一输出端口、第二输出端口以及第三输出端口的图案在相对于所述壳体的长度方向的上端处依次从左向右形成，并且所述第一至第五输出端口依次映射到垂直布置的五个辐射元件。

5.根据权利要求1至4中任一项所述的MLPS，其中，利用微带线路形成印刷在所述固定板和所述活动板上的传输线路，利用电介质基底形成所述固定板和所述活动板，并且在所述固定板与所述活动板的接触表面的至少之一上形成绝缘层。

6.根据权利要求1至4中任一项所述的MLPS，其中，通过焊接将所述固定板附接到所述壳体上。