CN105048104A - 具有用于对波束下倾角的电控制的介电板的缝隙阵列天线 - Google Patents

具有用于对波束下倾角的电控制的介电板的缝隙阵列天线 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种缝隙阵列天线，其包含波导缝隙主体及介电板。所述波导主体包含界定波导孔口的一或多个壁，所述波导孔口沿着所述波导缝隙主体的纵向轴延伸。所述波导缝隙主体包含安置于所述波导缝隙主体的一或多个壁上的多个缝隙。所述介电板安置于所述波导孔口内且沿着所述波导缝隙主体的所述纵向轴延伸。所述介电板可在所述波导孔口内围绕所述纵向轴旋转。

Description

具有用于对波束下倾角的电控制的介电板的缝隙阵列天线
相关申请案的交叉参考
本申请案主张2014年4月6日提出申请的标题为“具有对下倾波束的电控制的缝隙阵列基站天线(SlotArrayBaseStationAntennawithElectricalControlofDown-TiltBeam)”的第61/975,826号美国临时申请案的权益，所述美国临时申请案的内容出于各种目的以全文引用的方式并入本文中。
技术领域
本发明涉及波导天线，且更具体来说涉及介电负载的波导天线。
背景技术
基站天线需要针对其系统的辐射场型控制波束下倾以便使那些系统的覆盖区变化。此可变性为必须的，这是因为取决于基站及所要覆盖区的位置及高度将需要不同的波束下倾角角度。图1图解说明具有两个不同度数的波束或辐射场型下倾角的基站天线系统110。以第一下倾角角度122提供第一覆盖区120，且以第二下倾角角度132提供第二覆盖区130。需要某一机构来提供针对基站天线的波束下倾角的校正量。
照惯例，两种不同技术用以控制波束下倾角。图2A展示其中以机械方式执行辐射场型的倾斜的第一常规技术。在此技术中，系统220包含安置于以机械方式倾斜的平台225上的基站天线222。以不倾斜定向(实线)及倾斜定向(虚线)展示系统220。平台225以物理方式倾斜以提供覆盖所要区的波束下倾角。(例如，图1中所展示的区122或132)。虽然实施相对简单，但系统220产生失真(即，天线覆盖区的不均匀性)，此导致已经由系统220建立的不可靠或丢失的通信链路。
安装工以物理方式将天线的定向调整为指向下。图2B展示其中使用相控阵列天线以电方式执行波束下倾的第二常规技术。在此技术中，系统250包含信号划分器252、一堆相移器2541到254n(共同称为相移器254)及基站天线256。信号被施加到信号划分器252的输入端口252a，且信号被划分于(例如，平等地)n个分支之间，其中经划分信号中的每一者通过对应相移器254相移。所得经相移信号被馈送到基站天线阵列256中的对应天线，且所述信号共同形成倾斜辐射场型，如上文在图1中所展示。波束下倾角度数由施加到信号的相移的量控制。此基于电的系统250提供相对均匀的天线覆盖区且因此避免由机械系统220产生的天线覆盖场型的失真。然而电系统250由于功分器252及相移器254组件的使用而遭受所添加成本及复杂性。进一步不利地，这些组件的功率处置能力可限制系统250可发射的功率的量。
因此需要具有可控制波束下倾角的经改进天线阵列。
发明内容
根据本发明的一个实施例，现在呈现一种缝隙阵列天线，所述缝隙阵列天线与常规基于机械的波束下倾角天线系统相比提供较均匀辐射场型，且与常规电控波束下倾角天线系统相比提供较低组件计数及较高功率处置能力。
缝隙阵列天线的示范性实施例包含波导缝隙主体及介电板。所述波导主体包含界定波导孔口的一或多个壁，所述波导孔口沿着所述波导缝隙主体的纵向轴延伸。所述波导缝隙主体包含安置于所述波导缝隙主体的一或多个壁上的多个缝隙。所述介电板安置于所述波导孔口内且沿着所述波导缝隙主体的所述纵向轴延伸。所述介电板可在所述波导孔口内围绕所述纵向轴旋转。
在一个示范性实施例中，波导孔口包含长尺寸及短尺寸。进一步在此实施例中，介电板可围绕波导缝隙主体的纵向轴相对于所述波导孔口的所述短尺寸从0度角旋转到90度角。进一步在此实施例中，所述介电板包含沿着所述波导缝隙主体的所述纵向轴延伸的长度尺寸、沿着所述波导孔口的所述短尺寸延伸的宽度尺寸及沿着所述波导孔口的所述长尺寸延伸的厚度尺寸。所述介电板的所述宽度尺寸大于或等于所述介电板的所述厚度尺寸的五倍。
在另一示范性实施例中，基站天线系统包含根据前述实施例中的任一者的缝隙阵列天线。
在另一实施例中，呈现一种用于控制缝隙阵列天线的辐射场型的波束下倾角的方法。所述方法包含提供缝隙阵列天线，上文描述了所述方法的示范性实施例。所述方法进一步包含围绕纵向轴且在波导孔口内将介电板定位到预定义定向角度，其中以所述预定义角度定向的所述介电板对传播穿过波导缝隙主体的信号赋予预定义相位，借此提供缝隙阵列天线的波束下倾角。
鉴于以下详细说明及图式将更好地理解本发明的这些及其它特征。
附图说明
图1图解说明如本技术领域中已知的具有两个不同度数的下倾角的基站天线；
图2A图解说明其中以机械方式执行辐射场型的倾斜的常规技术；
图2B图解说明其中以电方式执行波束下倾的常规技术；
图3A及3B分别图解说明根据本发明的一个实施例的缝隙阵列天线的横截面图及等角视图；
图4A及4B分别图解说明根据本发明的一个实施例随介电板的角度定向而变化的由图3A及图3B的缝隙阵列天线产生的辐射场型的仰角及方位角平面；且
图5图解说明根据本发明的一个实施例用于控制图3A及图3B中所展示的缝隙阵列天线的辐射场型的波束下倾角的方法。
为了清晰，后续图式中所使用的特征保留先前图式中所使用的参考指数。
具体实施方式
介电材料在波导内的存在可影响在所述波导内行进的信号的传播常数且对应地影响传播穿过所述波导的信号相位的改变。本发明通过以下操作利用此现象：构造具有介电板的缝隙阵列天线，所述介电板可沿着缝隙阵列天线的纵向轴旋转；及相对于传播穿过缝隙阵列天线的信号的电场以不同角度定位介电板以便影响传播常数且对应地影响信号相位。将介电板定位为实质上正交于电场实质上不产生传播常数及信号相位的改变，而将介电板定位为实质上与电场平行产生传播常数及信号相位的最强改变。使介电板与电场成不同角度可对信号赋予对应的不同相位，且因此可通过相对于传播信号的电场而调整介电板的定向角度而实现特定下倾角。
图3A及3B分别图解说明根据本发明的一个实施例的缝隙阵列天线300的横截面图及等角视图。缝隙阵列天线300包含波导缝隙主体310及介电板330。波导缝隙主体包含界定波导孔口311的四个壁310a到310d，且波导孔口311沿着波导缝隙主体310的纵向轴312延伸。波导缝隙主体还包含安置于波导缝隙主体的壁310a上的一或多个缝隙320。沿着波导缝隙主体310的一个壁对角地提供缝隙320，如所展示。在本技术领域中已知此定向提供垂直偏振的辐射场型，如共同拥有的第8,604,990号美国专利中所描述。在另一实施例中，波导缝隙主体310包含一个壁，例如，在采用圆形波导作为波导缝隙主体310的情况下。位于接近于其上安置有缝隙320的短壁310a处的凸缘313a及313b从长壁310b及310d延伸。凸缘313a及313b形成缝隙阵列天线的辐射孔口。功能上，凸缘313a及313b作为喇叭形天线结构操作且波导主体310及缝隙320作为馈电结构操作。所述凸缘可用以控制方位角场型，且较大孔口提供窄波束及较高增益。
介电板330安置于波导孔口311内，且沿着波导缝隙主体310的纵向轴312延伸。介电板可在波导孔口内围绕纵向轴旋转定向角度α340，在所图解说明实施例中，角度α340在0度与90度之间延伸。更特定来说，波导孔口311包含长尺寸311a及短尺寸311b。介电板330可围绕波导缝隙主体310的纵向轴312相对于波导孔口的短尺寸311b以从0度到90度的角度α旋转。
如进一步所展示，介电板330包含沿着波导缝隙主体310的纵向轴312延伸的长度尺寸330a、沿着波导孔口的短尺寸311b延伸的宽度尺寸330b及沿着波导孔口的长尺寸311a延伸的厚度尺寸330c。示范性地，介电板的宽度尺寸330b大于或等于介电板的厚度尺寸330c的五倍。
进一步示范性地，电动机(未展示)经耦合以围绕纵向轴312使介电板330旋转到所要定向角度α340。替代地，可在波导孔口311内将介电板330手动地设定到定向角度α340。
波导缝隙主体310、缝隙320及介电板330的尺寸可经定大小以在任何特定频率或频率范围下操作。在下文于图4A及4B中所展示的示范性实施例中，波导缝隙主体310、缝隙320及介电板330经定大小以在1.95GHz的中心频率下操作。示范性地，波导主体310及缝隙320初始地经设计以在所要频率下操作且提供辐射场型的所要仰角平面相位(例如，0度)，且天线经分析以确认这些操作参数。随后，将介电板330插入到波导孔口311中，借此介电板的表面经定向实质上正交于(即，α≈0)将沿着其建立传播穿过缝隙主体310的信号的电场的波导的长尺寸311a。天线的辐射场型的操作频率及仰角平面随后经分析以确保：与不具有介电板的天线的操作相比实质上不具有仰角平面相位的改变。如果看到此改变，那么可做出数个改变，包含修改介电板的厚度330c或者波导缝隙主体310及/或缝隙320的尺寸，以使缝隙阵列天线的仰角平面相位返回到所要相位，例如，0度。
进一步示范性地，介电板330可与具有不同介电常数的另一介电板互换。板330的介电常数越大，在介电板从正交定向(角度α＝0度)旋转成与设置于波导孔口311(跨越长尺寸311a建立)内的电场较平行的定向时，将产生的相位改变越大。因此，具有较大介电常数的板与较低介电常数的板相比将能够提供较大波束下倾角。因此，可由较高介电常数的板来替换较低介电常数的板以便提供所需要波束下倾角。波导缝隙主体310将不需要修改。
图4A及4B分别图解说明根据本发明的一个实施例随介电板的角度定向而变化的由图3A的缝隙阵列天线产生的辐射场型的仰角及方位角平面。所述示范性缝隙阵列天线包含可在1.95GHz下操作的10个缝隙，且介电板包含相对介电常数εr＝4.0。参考图4A的仰角平面数据，立面场型经展示具有以角度α＝0、30、60及90度定向的介电板。大约10度的波束的下倾角是借助定向角度α＝90度来实现的。如从图4B可见，方位角场型仅受板旋转及所得波束下倾极轻微影响。
如所属领域的技术人员将理解，本文中所描述及所主张的缝隙阵列天线可包含于基站天线系统中，例如图1中所展示的基站天线系统。因此，本文中所揭示及所主张的实施例中的任一者可在基站天线系统内实施。进一步根据基站天线系统实施例，查找表可用以在所要波束下倾角与对应定向角度α340之间转变。特定来说，查找表可包含对应于缝隙阵列天线的所要波束下倾角的第一组条目，及可操作以实质上提供缝隙阵列天线的所要波束下倾角的介电板的定向角度的第二组条目。所述查找表可包含可帮助选择板以供既定使用的其它条目，例如功率处置能力。
图5图解说明根据本发明的一个实施例用于控制图3A中所展示的缝隙阵列天线的辐射场型的下倾角的方法500。所述方法包含提供根据本文中所揭示及所主张的说明及图式的缝隙阵列天线。接下来在504处，将介电板围绕纵向轴定位到预定义定向角度α340，其中以预定义角度定向的介电板对传播穿过波导缝隙主体的信号赋予一相位，借此提供缝隙阵列天线的辐射场型的下倾角。在示范性实施例中，使用电动机来定位介电板。在另一示范性实施例中，定位操作包含以下操作：(i)确定缝隙阵列天线的辐射场型的所要波束下倾角，(ii)获得介电板的对应于所要波束下倾角的角度定向，及(iii)控制所述介电板达到所述角度定向。举例来说，可建构使所要下倾角与特定介电板的定向角度α相关的查找表。一旦知晓板的定向角度，电动机即控制所述板达到所述定向角度以提供所要下倾角。
术语“一(a)”或“一(an)”用于指代由其描述的一个或一个以上特征。此外，术语“耦合”或“连接”是指彼此直接或经由一或多个介入结构或物质通信(以电方式、以机械方式、以热方式，根据具体情况而定)的特征。方法流程图中所提及的操作及动作的顺序为示范性的，且操作及动作可以不同顺序进行，以及操作及动作中的两者或两者以上可同时进行。包含于权利要求书中的参考标记(如果存在)用于指代所主张特征的一个示范性实施例，且所主张特征不限于由所述参考标记指代的特定实施例。所主张特征的范围应为由权利要求书措辞界定的范围，就如同所述参考标记不存在一样。本文中所提及的所有出版物、专利及其它文档均以全文引用方式并入本文中。在任何此类并入文档与此文档之间有任何不一致使用的情况下，应以此文档中的使用为准。
如所属领域中的技术人员易于了解，所描述过程及操作可以硬件、软件、固件或这些实施方案的适当组合来实施。另外，所描述过程及操作中的一些或所有过程及操作可实施为驻存于计算机可读媒体上的计算机可读指令代码，所述指令代码可操作以控制其它此种可编程装置的计算机以实施既定功能。其上驻存有指令代码的计算机可读媒体可呈现各种形式，举例来说，可移除磁盘、易失性或非易失性存储器等。
已足够详细地描述本发明的前述示范性实施例以使得所属领域的技术人员能够实践本发明，且应理解可组合所述实施例。挑选所描述实施例以便最佳地阐释本发明的原理及其实际应用，以借此使所属领域的技术人员能够在各种实施例中且以如适合于所构想的特定用途的各种修改最佳地利用本发明。本发明的范围应仅由所附权利要求书界定。

Claims (17)

1.一种缝隙阵列天线(300)，其包括：
波导缝隙主体(310)，其具有界定沿着所述波导缝隙主体的纵向轴(312)延伸的波导孔口(311)的一或多个壁(310a到310d)，所述波导缝隙主体(310)包括安置于所述波导缝隙主体的一或多个壁(310a)上的多个缝隙(320)；以及
介电板(330)，其安置于所述波导孔口(311)内且沿着所述波导缝隙主体的所述纵向轴延伸，其中所述介电板可在所述波导孔口内围绕所述纵向轴旋转(α，340)。
2.根据权利要求1所述的缝隙阵列天线(300)，
其中所述波导孔口(311)包含长尺寸(311a)及短尺寸(311b)，且
其中所述介电板(330)可围绕所述波导缝隙主体(310)的所述纵向轴(312)相对于所述波导孔口的所述短尺寸(311b)从0度旋转到90度。
3.根据权利要求2所述的缝隙阵列天线(300)，
其中所述介电板(330)包括沿着所述波导缝隙主体(310)的所述纵向轴(312)延伸的长度尺寸(330a)、沿着所述波导孔口的所述短尺寸(311b)延伸的宽度尺寸(330b)及沿着所述波导孔口的所述长尺寸(311a)延伸的厚度尺寸(330c)，
其中所述介电板的所述宽度尺寸(330b)大于或等于所述介电板的所述厚度尺寸(330c)的五倍。
4.根据权利要求1所述的缝隙阵列天线(300)，其进一步包括经耦合以使所述介电板围绕所述纵向轴旋转到预定义定向角度(α，340)的电动机。
5.根据权利要求1所述的缝隙阵列天线(300)，其中所述介电板可与具有不同介电常数的另一介电板互换。
6.一种包含缝隙阵列天线的基站天线系统，所述缝隙阵列天线包括：
波导缝隙主体(310)，其具有界定沿着所述波导缝隙主体的纵向轴(312)延伸的波导孔口(311)的一或多个壁(310a到310d)，所述波导缝隙主体(310)包括安置于所述波导缝隙主体的一或多个壁(310a)上的多个缝隙(320)；以及
介电板(330)，其安置于所述波导孔口(311)内且沿着所述波导缝隙主体的所述纵向轴延伸，其中所述介电板可在所述波导孔口内围绕所述纵向轴旋转(α，340)。
7.根据权利要求6所述的基站天线系统，其进一步包括查找表，所述查找表包括对应于缝隙阵列天线的所要波束下倾角的第一组条目，及对应于可操作以实质上提供所述缝隙阵列天线的所述所要波束下倾角的所述介电板的角度定向的第二组条目。
8.根据权利要求6所述的基站天线系统，
其中所述波导孔口(311)包含长尺寸(311a)及短尺寸(311b)，且
其中所述介电板(330)可围绕所述波导缝隙主体(310)的所述纵向轴(312)相对于所述波导孔口的所述短尺寸(311b)从0度旋转到90度。
9.根据权利要求8所述的基站天线系统，
其中所述介电板(330)包括沿着所述波导缝隙主体(310)的所述纵向轴(312)延伸的长度尺寸(330a)、沿着所述波导孔口的所述短尺寸(311b)延伸的宽度尺寸(330b)及沿着所述波导孔口的所述长尺寸(311a)延伸的厚度尺寸(330c)，
其中所述介电板的所述宽度尺寸(330b)大于或等于所述介电板的所述厚度尺寸(330c)的五倍。
10.根据权利要求6所述的基站天线系统，其进一步包括经耦合以使所述介电板围绕所述纵向轴旋转到预定义定向角度的电动机。
11.根据权利要求6所述的基站天线系统，其中所述介电板可与具有不同介电常数的另一介电板互换。
12.一种用于控制缝隙阵列天线的辐射场型的下倾角的方法(500)，所述方法包括：
提供缝隙阵列天线(300)，所述缝隙阵列天线包括：
波导缝隙主体(310)，其具有界定沿着所述波导缝隙主体的纵向轴(312)延伸的波导孔口(311)的一或多个壁(310a到310d)，所述波导缝隙主体(310)包括安置于所述波导缝隙主体的一或多个壁(310a)上的多个缝隙(320)；以及
介电板(330)，其安置于所述波导孔口(311)内且沿着所述波导缝隙主体的所述
纵向轴延伸，其中所述介电板可在所述波导孔口内围绕所述纵向轴旋转；以及
将所述介电板围绕所述纵向轴定位到预定义定向角度(α，340)，其中以所述预定义定向角度定向的所述介电板对传播穿过所述波导缝隙主体的信号赋予一相位，借此提供所述缝隙阵列天线的所述辐射场型的下倾角。
13.根据权利要求12所述的方法，其中定位所述介电板包括使用电动机使所述介电板旋转到所述定向角度。
14.根据权利要求12所述的方法，其中定位所述介电板包括：
确定缝隙阵列天线的辐射场型的所要波束下倾角；
获得所述介电板的对应于所述所要波束下倾角的定向角度；以及
使所述介电板旋转到所述定向角度。
15.根据权利要求12所述的方法，
其中所述波导孔口(311)包含长尺寸(311a)及短尺寸(311b)，且
其中所述介电板(330)可围绕所述波导缝隙主体(310)的所述纵向轴(312)相对于所述波导孔口的所述短尺寸(311b)从0度旋转到90度。
16.根据权利要求15所述的方法，
其中所述介电板(330)包括沿着所述波导缝隙主体(310)的所述纵向轴(312)延伸的长度尺寸(330a)、沿着所述波导孔口的所述短尺寸(311b)延伸的宽度尺寸(330b)及沿着所述波导孔口的所述长尺寸(311a)延伸的厚度尺寸(330c)，
其中所述介电板的所述宽度尺寸(330b)大于或等于所述介电板的所述厚度尺寸(330c)的五倍。
17.根据权利要求12所述的方法，其中所述介电板可与具有不同介电常数的另一介电板互换。
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