CN104205489A - 用于移动通信系统的可变波束控制天线 - Google Patents

用于移动通信系统的可变波束控制天线 Download PDF

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Abstract

本发明涉及用于移动通信系统的可变波束控制天线。该天线包括：形成在在其处发射信号的前表面上的天线屏蔽器；以至少一行垂直布置的多个发射器；用于支撑天线屏蔽器和多个发射器的框架部分；以及方向改变模块，其相对于参照点垂直地和水平地旋转多个发射器中的每一个以便改变多个发射器的发射方向。

Description

用于移动通信系统的可变波束控制天线
技术领域
本发明涉及应用于移动通信系统中的基站或转发器的天线，并且更特别地，涉及被设计成使得天线的垂直波束能够倾斜调整、水平转向调整、水平波束宽度控制等等的可变波束控制天线。
背景技术
最近，能够进行垂直（和/或水平）波束倾斜的垂直波束倾斜控制天线已经因为许多优点而被广泛用作移动通信系统中的基站天线。
垂直波束倾斜控制天线的波束倾斜方案可以主要划分成机械波束倾斜方案和电波束倾斜方案。该机械波束倾斜方案基于在耦合到常规天线中的支撑杆的一部分处提供的手动或动力支架结构。这样的支架结构的操作改变天线的安装倾角并且使天线实现垂直波束倾斜。电波束倾斜方案基于多个移相器并且通过改变供应给垂直布置的相应天线辐射元件的信号的相位差来使得实现电垂直波束倾斜。在Donald L.Runyon等人的（转让给EMS技术公司的题为“VERTICAL ELECTRICAL DOWNTILT ANTENNA”并且在2005年3月8日发行）美国专利号6,864,837中公开了与这样的垂直波束倾斜有关的技术的示例。
此外，最近已经开发了一种技术，其控制在水平方向上的天线波束并且由此调整与小区站点的订户分布一致的扇区瞄准方向。天线波束的水平控制可以以两个方案来进行，包括：电水平波束控制方案，其采用至少两列天线并且对供应给相应列的信号执行电相位控制；以及控制方案，其采用一列天线并且机械地水平地移动它们（转向）。
此外，当调整水平瞄准方向时，为了抑制阴影区的生成和使重叠区域最小化水平波束宽度变化是不可缺少的。作为一种用于改变水平波束宽度的技术，存在一种实施水平方向上的至少两行天线并且机械地控制相应行的反射板的水平瞄准方向以致互相交叉的方案，由此控制波束宽度。在由本申请人提交的题为“MOBILE COMMUNICATION BASE STATION ANTENNA BEAM CONTROL APPARATUS”的韩国专利申请号2003-95761中公开了此类技术的示例。
由此，用于移动通信系统的天线具有对使得实现垂直波束倾斜调整、水平转向调整和水平波束宽度控制的结构的请求，以及对形成用于相应扇区的更优化波束模式的增加的需求，但是此类结构的应用要求另外采用相当复杂、高成本机械设备，这可能能够使得天线特性不稳定。
发明内容
技术问题。
因此，本发明的一个方面是提供一种用于移动通信系统的可变波束控制天线，其在天线安装期间具有非常好的稳定性，其具有降低的由于外部环境引起的故障发生的可能性，其具有更稳定的天线特性，其具有更简单的结构，其使得实现了垂直波束倾斜调整、水平转向调整以及水平波束宽度控制，并且其因此适合于高功能、低成本生产以及网络最优化。
技术方案。
根据本发明的一个方面，提供一种用于移动通信系统的可变波束控制天线，该可变波束控制天线包括：形成在从其辐射信号的前表面上的天线屏蔽器；以至少一列垂直布置的多个辐射单元；框架单元，其被配置成支撑天线屏蔽器和辐射单元；以及方向可变模块，其被配置成相对于一个参照点向上/向下和向左/向右旋转辐射单元中的每一个以便改变辐射单元的辐射方向。
优选地，辐射单元中的每一个包括：辐射元件；反射板，其被配置成支撑在辐射元件后表面处的对应辐射元件；经由第一连接杆连接到反射板的球形结构；以及支撑平台，其被配置成使用球窝接头来支撑球形结构。
优选地，方向可变模块具有被配置成使用直接/间接连接的单独附加物来向上/向下和向左/向右旋转第一连接杆的结构。
优选地，单独附加物是形成在第二传动轴上的至少一个第二连接杆，所述第二传动轴在平面上垂直于连接第一连接杆和反射板的球形结构的第一传动轴，并且该至少一个第二连接杆固定连接到至少一个小齿轮的旋转中心传动轴。
优选地，方向可变模块包括：至少一个齿条传动单元，其被向上/向下拉伸成连接到安装在球形结构的至少一个第二连接杆上的至少一个小齿轮；上/下可变单元，其被配置成在使得齿条传动单元能够向上/向下移动的同时支撑该至少一个齿条传动单元并且被安装成能够相对于球形结构（26）的垂直传动轴向左/向右旋转；以及左/右可变单元，其被配置成相对于球形结构的垂直传动轴向左/向右旋转上/下可变单元。
优选地，齿条传动单元通常连接到形成在辐射单元的相应球形结构的第二连接杆上的小齿轮。
有益效果。
如上所述，根据本发明的用于移动通信系统的可变波束控制天线在天线安装期间具有非常好的稳定性，具有降低的由于外部环境引起的故障发生的可能性，具有更稳定的天线特性，具有更简单的结构，并且使得实现垂直波束倾斜调整、水平转向调整、以及水平波束宽度控制。
附图说明
图1是图示出根据本发明的实施例的用于移动通信系统的可变波束控制天线的结构的示意性分解透视图。
图2A到图2E图示出图1的一个辐射单元的详细结构。
图3A到图3E图示出图1的方向可变模块的详细结构。
图4图示出天线屏蔽器和辐射单元的布置结构。
图5是图示出根据本发明的另一实施例的用于移动通信系统的可变波束控制天线的结构的示意性分解透视图。
具体实施方式
在下文中，将参考附图详细描述本发明的示例性实施例。在图中，相同的部件被给予相同的参考数字。
图1是图示出根据本发明的实施例的用于移动通信系统的可变波束控制天线的结构的示意性分解透视图。参考图1，根据本发明的实施例的天线包括：形成在从其辐射信号的前表面上的天线屏蔽器10；垂直布置的多个辐射单元20；支撑天线屏蔽器10和辐射单元20的框架单元30；以及方向可变模块（包括稍后描述的齿条传动单元40、上/下可变单元50、以及左/右可变单元60），其被配置成响应于外部控制信号来相对于一个参照点向上/向下和向左/向右旋转辐射单元20中的每一个以使得辐射单元20的辐射方向是可变的。
框架单元30可以被另外提供有信号处理和控制设备32，以用于信号处理操作（诸如对应天线的发射/接收信号的放大和滤波）和与天线的姿势控制等等有关的控制操作，并且热辐射片34可以被形成在其外表面上以便释放由对应设备32生成的热量。可替换地，设备32可以被实施为具有单独外壳的单独设备并且然后被另外安装在天线的外面。
辐射单元20中的每个具有：辐射元件22；反射板24，其支撑在对应辐射元件22的后表面处的每个辐射元件22；以及支撑平台28，其支撑每个辐射单元20的反射板24，以使得在反射板24可以相对于一个参照点旋转时其位置关于对应参照点固定。
每个辐射元件22可以被配置为具有常规结构化辐射器和气球结构的偶极子元件，并且如稍后将描述的那样该偶极子元件可以具有：以整体朝向前面凸起的部分球形形状形成的辐射器，其具有多个辐射模式单元，在该辐射模式单元上形成谐振模式；以及用于支撑对应辐射器并且对其馈电的馈电和气球结构。每个反射板24可以被成形为盘状物或者相对于辐射元件22凹入的部分。
可以理解，尽管常规天线结构通常具有布置在单个拉伸平面反射板上的多个辐射元件，但是本发明不采取这样的结构，而是针对每个辐射元件单独安装适合结构的反射板。也就是说，与在一个平面反射板上布置多个辐射元件的常规结构不同，本发明可以避免由每个辐射元件的紧固造成的PIMD（无源交调失真）问题，并且因为每个辐射元件没有受到邻近辐射元件的影响，所以可以最优地设计每个辐射元件。此外，每个反射板24具有根据本发明的部分球形形状，与平面反射板相比其使得有可能增加相同体积内反射板的面积。
天线屏蔽器10被形成为使得其与相应辐射单元20的凸起辐射元件22相对应的表面类似地具有朝向前面凸起的部分球形表面12；并且如图4中更清楚地图示出的那样，天线屏蔽器10的部分球形表面12被形成为使得即使当辐射元件22向上/向下、向左/向右旋转时，在天线屏蔽器12和辐射元件22之间也维持恒定距离。这防止关于每个辐射元件22的单独倾斜的电特性的任何变化。此外，作为符合辐射元件的形状的最优设计的结果，天线屏蔽器10可以具有细长的整体结构。就牵引系数而言这样的球形形状也是有利的，并且与常规天线屏蔽器结构相比风的影响被减小，由此减小对其将被安装在此处的塔的负担。当信号处理和控制设备32等等被添加到天线时，特别地，重量和与风有关的牵引的减小具有显著的重要性，其是优于常规结构的根据本发明的天线屏蔽器结构的显著的优点。
图2A到图2E图示出图1的一个辐射单元的详细结构；具体来说，图2A是辐射单元的分解透视图；图2B是图2A的部分组装透视图；图2C是辐射单元的后视图；图2D是辐射单元的平面视图；并且图2E是辐射单元的顶视图。参考图2A到图2E，根据本发明的实施例的辐射单元20中的每一个具有辐射元件22、反射板24以及经由第一连接杆262连接到反射板24的后表面的中心部分的球形结构26，以使得第一轴（例如，Y轴，为方便其被假定朝向前面延伸）被固定。球形结构26具有沿着在同一平面上垂直于第一轴的第二轴（例如X轴，为方便其被假定在向左/向右方向上延伸）固定并连接到至少一个小齿轮266的旋转中心传动轴的至少一个第二连接杆264。
支撑辐射单元20的反射板24以便能够相对于一个参照点旋转的支撑平台28可以包括固定且彼此耦合的上支撑平台282和下支撑平台284；该上支撑台282和下支撑台284被配置成分别围绕球形结构26的上部分和下部分，并且固定球形结构26的位置，由此支撑辐射单元20。
支撑平台28具有被形成以使得球形结构26的第一连接杆262可以关于球形结构26在预置的范围之内向上/向下和向左/向右旋转的凹处或孔结构，以及具有被形成以使得球形结构26的第二连接杆264可以关于球形结构26在预置的范围之内向左/向右旋转的凹处或孔结构。支撑平台28可以通过例如螺丝耦合被安装成固定到天线屏蔽器10或框架单元30的内表面。
根据上述结构显然的是，在连接到第二连接杆264的小齿轮266的旋转之后是球形结构26的旋转，然后接着是第一连接杆262关于球形结构26的向上/向下旋转，接下来最后是旋转单元20的向上/向下旋转。此外，第二连接杆264关于球形结构26的向左/向右旋转之后是第一连接杆262关于球形结构26的向左/向右旋转，接下来最后是辐射单元20的向上/向下旋转。
此类球形结构26和支撑台28的连接结构以及辐射单元20通过球形结构26的旋转结构可以类似于使用球窝接头的固定和旋转结构。也就是说，球形结构26与球窝接头的球相对应，并且支撑平台28与球窝接头的窝相对应。
在这种情况下，辐射单元20通过具有使用直接/间接连接的单独附加物（例如第二连接杆264）来使第一连接杆262（其将辐射单元20连接到球形结构26）向上/向下和向左/向右旋转的结构（例如方向可变模块）来向上/向下和向左/向右旋转。
图3A到图3E图示出图1的方向可变模块的详细结构；具体来说，图3A是在一个方向上看到的方向可变模块的总体透视图；图3B是在另一方向上看到的方向可变模块的总体透视图；图3C是方向可变单元的上/下可变单元的主要部分的透视图；图3D是方向可变模块的左/右可变单元的主要部分的透视图；以及图3E是图示出图3D的左/右可变状态的相关部分的平面视图。参考图3A到图3E，根据本发明的实施例的方向可变模块包括：至少一个齿条传动单元40，其被向上/向下拉伸成连接到安装在球形结构26的至少一个第二连接杆264上的至少一个小齿轮266；上/下可变单元50，其被配置成在使得齿条传动单元40能够向上/向下移动的同时支撑该至少一个齿条传动单元40并且被安装成能够关于球形结构26的垂直轴（例如Z轴）向左/向右旋转；以及左/右可变单元60，其被配置成关于球形结构26的垂直轴（Z轴）向左/向右旋转上/下可变单元50。
该上/下可变单元50具有通过第一电动机52旋转的至少一个第一旋转齿轮54，并且该至少一个第一旋转齿轮54被配置成连接到形成在齿条传动单元40的表面上的齿条传动结构，该齿条传动单元40被连接到第二连接杆264的小齿轮266，或者被形成在其另一表面上。因此，第一电动机52的旋转引起第一旋转齿轮54的旋转，之后是与其连接的齿条传动单元40的向上/向下移动，这最终引起第二连接杆264的小齿轮266的旋转。
第一电动机52和至少一个第一旋转齿轮54可以被安装成固定到引导/固定结构56，并且该引导/固定结构56具有用于支撑齿条传动单元40以能够通过将其插入到凹处结构中而向上/向下移动的结构，以及被安装以能够关于球形结构26的垂直轴（Z轴）向左/向右旋转的结构。例如，引导/固定结构56可以被构造成利用插入到辅助支撑平台58的其一侧而被固定，该辅助支撑平台58被安装成在被固定到图2A到图2E中图示出的支撑平台28的同时沿着球形结构26的垂直轴（Z轴）拉伸。在这种情况下，显而易见的是引导/固定结构56自身被安装成不会向上/向下移动。
引导/固定结构56可以具有部分形成在一侧上并且被配置成围绕球形结构26的垂直轴（Z轴）旋转的旋转齿轮结构562。该旋转齿轮结构562在与左/右可变单元60交互工作的同时旋转；因此，上/下可变单元50整体上在向左/向右方向上旋转；与其连接的齿条传动单元40关于球形结构26的垂直轴（Z）旋转；球形结构26的第二连接杆264向左/向右旋转；并且最后辐射单元20向左/向右旋转。
左/右可变单元60具有通过第二电动机62旋转的第二旋转齿轮64，并且第二旋转齿轮64被配置成与引导/固定结构56的旋转齿轮结构562啮合。左/右可变单元60的第二电动机62可以被安装成通过单独结构完全固定，并且例如它可以被连接成固定到辅助支撑平台58的下端。此类结构保证第二电动机62的旋转引起第二旋转齿轮64的旋转，这引起与其连接的引导/固定结构56的旋转齿轮结构562的旋转。
上文提到的齿条传动单元40通常可以被连接到形成在多个辐射单元20的相应球形结构26的第二连接杆264上的小齿轮266。因此，提供仅一个上/下可变单元50和左/右可变单元60可以整体上改变多个辐射单元20的向上/向下和向左/向右方向。
此外，当针对相应辐射单元20单独地提供多个齿条传动单元40、上/下可变单元50、和左/右可变单元60时，不是通常地将齿条传动单元40连接到多个辐射单元20，而是可以针对相应辐射单元20不同地改变向上/向下和向左/向右方向。该结构可以被采用来形成更优化的精确波束模式，然而所提供的部件的数目将增加。此外，在这种情况下，上/下可变单元50可以被配置成直接旋转安装在球形结构26的第二连接杆上的小齿轮266，而不必提供齿条传动单元40。
关于上文描述的根据本发明的实施例的天线结构，常规垂直和水平波束可变天线可以具有旋转传动轴，为了旋转天线的目的，该旋转传动轴被定位在整体上被配置为单个单元的平面反射板的上面/下面，并且此类结构在旋转期间具有结构不稳定性。相反，根据本发明，用于每个辐射元件的旋转传动轴被支撑，并且驱动单元可以被布置在天线中间，以使得可以显著改进旋转期间的不稳定性。
此外，根据本发明，可以实施球窝接头类型的旋转传动轴以使得可以进行关于一个中心点（球窝接头的中心）的向上/向下和向左/向右移动，这使机械驱动单元的尺寸最小化并且由此降低天线的整个体积和重量。
图5是图示出根据本发明的另一实施例的用于移动通信系统的可变波束控制天线的结构的示意性分解透视图。参考图5，根据本发明的另一实施例的天线包括：形成在从其辐射信号的前表面上的天线屏蔽器10’；以两列垂直布置的多个辐射单元20、20’；支撑以两列垂直布置的辐射单元20、20’和天线屏蔽器10’的框架单元30’；以及方向可变模块，其被配置成改变以两列垂直布置的辐射单元20、20’的辐射方向。可以理解，可以通过以两列（双重）布置根据图1到图4中图示出的第一实施例的结构以及相关结构的辐射单元20来获得图5中图示出的结构。每个部件的详细结构可以与根据上述第一实施例的结构相类似。
根据本发明的实施例的用于移动通信系统的可变波束控制天线可以如上文所述那样被配置，并且尽管上文已经描述了本发明的详细实施例，但是本发明的结构可以被不同地改变或修改。
例如，根据本发明的其它实施例可以以两列或至少三列来布置辐射单元，如图5中图示的那样，并且在这种情况下，至少一个列的辐射单元可以被配置成采用根据本发明的结构。
此外，可以另外安装多个移相器以便在本发明的另一实施例中实施电垂直波束倾斜，并且在这种情况下，可以将多个移相器安装在齿条传动单元40上。因此，多个移相器可以连同齿条传动单元一起移动和旋转，从而防止在多个移相器和相应辐射元件之间进行连接的电缆的任何扭转并且降低施加给连接电缆的应力。
此外，当提供两个齿条传动单元40时，可以进一步提供用于将两个齿条传动单元40彼此固定在适当位置的单独固定结构和用于引导齿条传动单元40的向上/向下和旋转移动的附加引导结构，以便稳定地支撑两个齿条传动单元40。

Claims (10)

1.一种用于移动通信系统的可变波束控制天线，该可变波束控制天线包括：
形成在从其辐射信号的前表面上的天线屏蔽器；
以至少一列垂直布置的多个辐射单元；
框架单元，其被配置成支撑天线屏蔽器和辐射单元；以及
方向可变模块，其被配置成相对于一个参照点向上/向下和向左/向右旋转辐射单元中的每一个以便改变辐射单元的辐射方向。
2.根据权利要求1中所述的可变波束控制天线，其中辐射单元中的每一个包括：
辐射元件；
反射板，其被配置成支撑在辐射元件后表面处的对应辐射元件；
经由第一连接杆连接到反射板的球形结构；以及
支撑平台，其被配置成使用球窝接头来支撑球形结构。
3.根据权利要求2中所述的可变波束控制天线，其中所述方向可变模块具有被配置成使用直接/间接连接的单独附加物来向上/向下和向左/向右旋转第一连接杆的结构。
4.根据权利要求3中所述的可变波束控制天线，其中所述单独附加物是形成在第二传动轴上的至少一个第二连接杆，所述第二传动轴在平面上垂直于连接第一连接杆和反射板的球形结构的第一传动轴，并且
所述至少一个第二连接杆固定连接到至少一个小齿轮的旋转中心传动轴。
5.根据权利要求4中所述的可变波束控制天线，其中所述方向可变模块包括：
至少一个齿条传动单元，其被向上/向下拉伸成连接到安装在球形结构的至少一个第二连接杆上的至少一个小齿轮；
上/下可变单元，其被配置成在使得齿条传动单元能够向上/向下移动的同时支撑所述至少一个齿条传动单元并且被安装成能够相对于球形结构（26）的垂直传动轴向左/向右旋转；以及
左/右可变单元，其被配置成相对于球形结构的垂直传动轴向左/向右旋转上/下可变单元。
6.根据权利要求5中所述的可变波束控制天线，其中所述齿条传动单元通常连接到形成在辐射单元的相应球形结构的第二连接杆上的小齿轮。
7.根据权利要求1-6中的一项所述的可变波束控制天线，其中所述框架单元被提供有信号处理和控制设备，以用于对应天线的发射/接收信号的放大和滤波的信号处理操作以及天线的姿势控制的控制操作，并且热辐射销被形成在外表面上以便释放热量。
8.根据权利要求1-6中的一项所述的可变波束控制天线，其中辐射单元中的每一个辐射元件由具有辐射器和气球结构的偶极子元件组成，以整体在向前方向上凸起的部分球形形状来形成所述辐射器；以及
以具有相对于辐射元件的凹入部分的盘形形状或部分球形形状来形成辐射单元中的每一个的反射板。
9.根据权利要求8中所述的可变波束控制天线，其中所述天线屏蔽器被形成为使得其与辐射单元的相应凸起辐射元件相对应的表面类似地具有在向前方向上凸起的部分球形表面。
10.根据权利要求5或6中所述的可变波束控制天线，其中多个移相器被安装在齿条传动单元上以用于电垂直波束倾斜。
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