CN105261835B - 一种阵列天线可调移相装置和天线 - Google Patents

Abstract

本申请公开了一种阵列天线可调移相装置和天线。该装置包括一个馈线分支网络，网络含有不同宽度的变压器部分，用于减小通过网络的信号反射；网络通过一个或多个馈线结点和部分耦合输入端口与输出端口，输入输出端口设置于装置的第一边沿，安装有电介质元件的拉杆设置于装置的第二边沿，电介质元件安装在与这些馈线部分相邻的拉杆上，可以沿这些馈线部分的表面移动，同步调整与输出端口之间的相位关系，电介质元件含有一个或多个变压器部分，用于减少通过网络的信号反射，其中，与馈线部分相邻的以及与来自输入端口的第一个结点相连的电介质元件两端都含有变压器部分，其他电介质元件只在与部分馈线重叠的一端含有变压器部分。

Description

一种阵列天线可调移相装置和天线

技术领域

本申请涉及一种介质移相器装置，特别涉及一种阵列天线可调移相装置和天线，该装置用来在一个公共传输线和两个或者两个以上的端口间馈送信号，例如，从阵列天线的输入端口给阵列天线的辐射体馈电。

背景技术

基站电调天线通过波束形成网络中的移相器实现基站天线的波束下倾调节，具有下倾角可调范围大、精度高、方向图控制好、抗干扰能力强、易于控制等优点。因此，移相器是基站天线的一个必要组件，该器件通过改变天线单元之间的相对相位实现调节天线波束的下倾角度，从而方便通信网络的优化。在原理上，应用于电调基站天线的波束成形网络有两种方法可以实现，一是在馈电线路中插入介质的方法，在电磁波传输的过程中，插入的介质能够改变传输媒介的介电常数，从而改变电磁波的波长，等效于电磁波行程的变化，即馈电相位的变化。二是改变馈电线路的长度，增加或减小馈电线路的长度，也就是直接地增加或减小电磁波的行程，从而达到馈电相位的变化。使用这种移相方法，馈电线路幅度变化小、插入损耗小，但是有些实现方法会使移相量非线性变化，结构实现较复杂，互调差。

US5949303 专利中描述了一种波束成形网络，其技术方案是，电介质元件片在底盘与弯曲状的馈电网络间移动方式实现了移相功能，不同输出端口之间的相位差是通过馈电网络的传输线介质覆盖长度不同而实现的。这种方案的不足在于：由于弯曲的回线都是彼此平行的，所以这个装置的横向比较宽，其次输出中断的相对位置会对分布造成约束，不利于减小反射信号，不利于设计具有宽频带响应的部件，同时还增加了移相器的结构复杂度，在某些应用中会与实际相矛盾。

CN1547788A专利中描述了一种波束成形网络，其技术方案是，通过一块高度集成的电路板与整块细长介质板间的相对滑动动而达到多个端口相移的目的，其核心思想和US5949303 相似，但过于细长的介质板由于材料及机械强度的原因很难保证长期维持原状，变形的介质板在移动时会受力不均匀，有可能导致移相器在移动过程中卡死或影响移相精度等。

综上可知，现有技术在实际使用上，显然存在不便与缺陷，而随着移动通信技术的突飞猛进，基站天线趋于小型化，宽频带，多频段等是发展趋势。针对这些问题，需要开发制造成本低且高性能的创新移相器结构。

发明内容

本申请的目的是针对现有的波束成形网络的不足，提供一种结构改进的新的波束成形网络，以及该波束成形网络的应用。

为了达到以上目的，本申请采用了如下技术方案。

本申请的一方面公开了一种阵列天线可调移相装置，该装置用于在公共输入端口与两个或更多端口之间馈送信号，该装置包括导体腔体、一个馈线分支网络、电介质元件和拉杆；导体腔体的第一边沿设置有输入端口和输出端口，第二边沿安装有电介质元件的拉杆；馈线分支网络含有不同宽度的变压器金属矩形腔体部分，用于减小通过网络的信号反射，馈线分支网络通过一个或多个馈线结点耦合部分输入端口与输出端口；电介质元件含有一个或多个变压器部分，用于减少通过网络的信号反射；拉杆沿着腔体的第二边沿放置，电介质元件固定在拉杆上，电介质元件与馈线分支网络部分相邻的以及与来自输入端口的第一个结点相连的电介质元件两端都含有变压器部分，其余部分的电介质元件只在与馈线分支网络重叠的一端含有变压器部分。

优选的，电介质元件的变压器部分通过削减电介质元件的宽度形成。

优选的，电介质元件的变压器部分通过削减电介质元件的厚度形成。

优选的，拉杆由热伸长的材料制成，所述热伸长的材料为金属或玻璃纤维。

优选的，馈线分支网络由位于导体腔体内部的带状线组成；导体腔体由两个位于带状线上部和下部的宽的壁，以及两个窄的壁组成。

优选的，导体腔体通过挤压工艺制成金属型材腔体。

优选的，导体腔体包含了一组纵向导向的凸出卡位部分，该纵向导向的凸出卡位设置于第二边沿附近宽的腔体内表面上。

优选的，每个电介质元件包含两个相同部分，该两个相同部分设置于导体腔体的宽的壁之间，该两个相同部分分别位于带状线部分的两侧，电介质元件固定在拉杆上。

优选的，每个电介质元件被制作成一个整体，且包含有用于放置带状线的纵向空心狭槽和用于连接拉杆的纵向孔或通道。

优选的，每个电介质元件都包含有用于将其放置在宽的壁的内表面上的纵向导向的凸出卡位的纵向导向槽。

优选的，电介质元件由塑料通过挤压工艺制成。

优选的，每个电介质元件含有用于容纳带状线的纵向空心狭槽，纵向空心狭槽的内表面设置有引导带状线的倒角和用于在拉杆上安装电介质元件的小凸台，小凸台装入拉杆中的孔内。

优选的，电介质元件通过模具注塑一体制成，且电介质元件上开设有至少一个缺口，缺口用于调节电介质元件与馈电网络的接触面积。

优选的，至少部分连接到输出端口的带状线包含有电介质基板，且分别位于带状线两侧的宽的壁之间。

优选的，电介质元件的基板由低介电常数的材料制成，优选的，低介电常数的材料为聚乙烯泡沫。

优选的，至少部分连接到输出端口的带状线包含不导电间隔物，间隔物支撑宽的壁之间的带状线。

优选的，带状线在下层电介质元件的基板上的一边形成，基板支撑宽的壁之间的带状线。

优选的，上层电介质元件的基板位于下层电介质元件的基板上的带状线之上。

优选的，带状线在电介质元件的薄基板上的两边形成，基板支撑宽的壁之间的带状线。

优选的，至少一条位于结点和输出端口之间的馈线包含的波阻抗至少比输出端口以及连接到输出端口的变压器部分的阻抗高20%。

本申请的另一面公开了一种包含本申请的装置的天线，其中至少两个天线元件直接或通过同轴电缆连接到所述装置的输出端口。

本申请的有益效果是：本申请的阵列天线可调移相装置，根据插入介质法的移相原理设计，馈电网络高度集成，采用带状线连接，无非线性电连接点，具有良好的交调特性；设置于导向槽中的电介质元件，使传动误差小，下倾精度高，传动顺畅，并且，电介质元件运动时，移相量为线性变化。

附图说明

图1 是本申请实施例中波束形成网络的内部结构示意图；

图2 是本申请实施例中波束形成网络的整体外观示意图；

图3 是本申请实施例中波束形成网络的整体截面示意图；

图4是本申请实施例中电介质元件的局部放大结构示意图；

图5 是本申请另一实施例中波束形成网络的内部结构示意图；

图6是本申请另一实施例中波束形成网络的整体外观示意图；

图7 是本申请另一实施例中波束形成网络的整体截面示意图；

图8 是本申请实施例中聚合波束成形网络装置的整体外观示意图；

图9 是本申请实施例中聚合波束成形网络装置的双层金属腔体的截面示意图；

图10 是本申请实施例中聚合波束成形网络装置的整体截面示意图；

图11 是本申请实施例中聚合波束成形网络装置的内部结构示意图。

具体实施方式

本申请的阵列天线可调移相装置，包括输入端口、至少两个输出端口、将输入输出端口连接起来的馈电网络、支撑馈电网络的介质衬底、拉杆、拉杆上固定的电介质元件片、及长方形金属腔体。馈电网络高度集成，连接天线阵的阵元间的馈电网络不使用电缆，而是使用带状线集成在馈电网络中，馈电网络被固定在两块支撑馈电网络的介质衬底中间，导体腔体两端开口，其它端面封闭，组成了一个长的一体的矩形腔体，安装有介质块的馈电网络被安装在矩形腔体的一侧，电介质元件块根据设计固定在拉杆上，电介质元件块的上下介质块将馈电网络的带状线夹在中间，电介质元件块上有导向槽，金属腔体的另一侧有导向槽及导向卡位，金属腔体里的导向卡位卡在电介质元件块的导向槽里，而拉杆则置于金属腔体的导向槽中，这样通过拉动拉杆所述绝缘介质块在馈电网络表面的平面空间移动。这种新的波束成形网络结构展示，若一个阵列天线有N个辐射体，那么这个波束形成网络将有N-1个移相器，从而在水平面与垂直面上产生高质量的方向图。并且，在这种新的设计下，连接天线阵的阵元间的馈电网络不使用电缆，而是使用带状线集成在馈电网络中。

馈电网络高度集成，连接天线阵的阵元间的馈电网络不使用电缆，而是使用带状线集成在馈电网络中。馈电网络被固定在的两个对称的绝缘介质衬底之间。绝缘介质衬底上有固定馈电网络的固定孔位。绝缘介质衬底要约长于馈电网络的长度。馈电网络的宽度要约宽于绝缘介质衬底的宽度。馈电网络的输入输出端口处无绝缘介质衬底的覆盖。

本申请中，若一个阵列天线有N个辐射体，那么这个波束形成网络中将包含N-1个移相器。

安装馈电网络的腔体为长的两端开口的导体腔体。导体腔体较窄的一边侧墙上开有输入输出端口安装孔，较宽的表面开有绝缘介质衬底固定孔。

导体腔体内一侧有导向槽和导向卡位。安装有绝缘介质衬底的馈电网络设置于腔体内其侧墙开孔的一侧。滑动拉杆上固定有电介质元件片。

电介质元件片上下对称，中间有一条狭窄的深槽到其底部，但不贯穿。

带状线位于电介质元件片狭窄的深槽中间。电介质元件片的一侧有导向槽。电介质元件片上开有一个或多个缺口，缺口的形状和数量根据设计而定。电介质元件片的底部一侧有固定玻璃钢拉杆的热铆接柱子。电介质元件片的可有两块介质片组成，也可以将其做成一个整体一体成型。电介质元件片上有倒角，起引导带状线的作用。安装有电介质元件片的滑动拉杆设置于腔体内有导向槽和导向卡位的一侧。安装馈电网络的导体腔体是单层或多层腔体构成。在金属腔体的另一侧有一个小的隔开腔体，输出输入端口设置于此小型腔体内。

下面通过具体实施方式结合附图对本申请作进一步详细说明，以下实施例仅仅用于理解和说明本申请，不应理解为对本申请的限定。

实施例一

本例的电调基站天线的波束形成网络，如图1-3所示，图1展示了本发明的第一种实施方案，包括输出端口8a, 8b, 8c, 8d, 8e、输入端口9, 以及一个滑动机构，包括电介质元件块2a，2b和4，玻璃钢拉杆6，滑动拖块5，玻璃钢拉杆6上有固定孔位，电介质元件块2a，2b和4一侧有塑料柱，通过热铆接工艺将电介质元件块2a，2b和4固定在玻璃钢拉杆6上，滑动拖块5要承受较大的拉力，我们选用POM制作滑动拖块5，同样道理，滑动拖块5一侧也设计有圆柱，通过热铆接工艺将其固定在玻璃钢拉杆6上。两块相同的介质衬底7中间夹有带状线3，介质衬底上有固定孔位10a，10b，10c，使用塑料紧固件或者塑料热铆接将带状线3紧紧固定在两衬底之间。金属腔体1的一侧边开有缺口，馈电网络的输出端口8a, 8b, 8c,8d, 8e、输入端口9就安装在这些缺口中。如图2所示，安装有介质衬底7的带状线3通过塑料铆钉11a，11b，11c，11d，11e固定在金属腔体1中，输出端口8a, 8b, 8c, 8d, 8e、输入端口9暴露与金属腔体1外面，玻璃钢拉杆6还可以作为标尺之用。

如图3所展示的是整个腔体的截面图，玻璃钢拉杆6 设置于金属腔体1的导向槽14中，电介质元件块2a，2b和4上有导向槽13，导向槽13卡设置在金属腔体1的导向卡位12上，电介质元件片上有倒角21a，如图4所示，在调整移相器时，此倒角21a起引导带状线作用，带状线3设置于电介质元件块2a，2b和4内的细长槽内。当拖动滑动拖板电介质元件片就沿着金属腔体的导向槽与导向卡位中移动。这个设计避免了长介质块引起的机械强度问题，移相精度高，且制作成本低廉。

实施例二

本例的电调基站天线的波束形成网络如图5-7所示，本例的方案与实施例一基本相似，只是在输入端50a，50b，50c，50d，50e，输出端口511一侧增加了一个小型腔体512，如图5所示，包括金属腔体51，金属腔体51 上开有孔50a，50b，50c，50d,50 e，511，带状线53，衬底介质块55，其上有固定安装孔57，通过塑料热铆接或者塑料螺丝等紧固件将带状线53夹在两块相同的衬底介质块55中间，并将其安装在输入输出端口511，50a，50b，50c，50d,50e的一侧，电介质元件块52, 54，56通过塑料热铆接固定在玻璃钢拉杆59上，滑动拖块58为POM材料，同样也通过热铆接固定在玻璃钢拉杆59上。如图7所示，73为铆接点，玻璃钢拉杆59设置于导向槽72中，滑动拖板58与电介质元件块56上都有导向槽71，它们设置与导向卡位74中，电介质元件块上开有细长槽，其截面都有倒角70，在拉动拉杆59时，这个倒角70其调整引导带状线的作用。如图6所示金属腔体表面有固定孔60a，60b，60c，60d，60e，用塑料铆钉将介质衬底55与带状线53固定在腔体中。61a，61b，61c，61d，61e是输出端口在腔体表面开的孔，62为输入端口在腔体表面开的孔，512是一个小型的腔体，封闭输出输入端口，在双极化天线中这个设计可以有效地抑制耦合。

实施例三

本例的电调基站天线的波束形成网络装置如图8-11所示，该装置实际上是由两个实施例一的波束形成网络叠合而成。图11显示的第一层的内部结构，如图11所示，包括金属腔体110，安装在里面的馈电网络，带状线101 安装在两块介质衬底102间，用紧固件通过孔113，117将其固定加紧，并将其安装在输出端口120a，120b，120c，120d，120e，输入端口121，支撑端83所在一侧，滑动拉杆106上固定有电介质元件块104, 114, 116，滑动拖板118。金属腔体110的一侧有小型腔体结构82，输入输出端口位于其中。如图8所示腔体为双层结构，图9为其横截面图，在图8中，固定孔80a，80b，80c，80d。80e中有塑料铆钉锁紧衬底102,85a，85b，85c，85d，85e为输出端口开的在腔体表面开的孔，84为输入端口开的孔，83为支撑端口，82为小型腔体，输入输出端口位于其中，上下两腔体相互独立隔开。更详细的如图10所示，101与109是上下两层腔体中的带状线，102与108介质衬底，带状线夹在它们中间，电介质元件块上有细长槽，带状线位于细长槽正中间，且绝缘介质块104与107上都有倒角103，其导向带状线的作用。玻璃钢拉杆106位于位于腔体的导向槽中，滑动拖板105位于腔体导向卡为中。这样拉动玻璃钢拉杆106时，整个部件就能顺畅的在腔体里运动。方案三适用于长天线设计或多频段天线设计。

以上仅是本申请的两个较佳实施例，并非对本申请的技术范围作任何限制，本行业的技术人员，在本技术方案的启迪下，可以做出一些变形与修改，凡是依据本技术实质对以上的实施例所作的任何修改、等同变化与修饰，均仍属于本申请技术方案的范围内。

Claims (21)

1.一种阵列天线可调移相装置，所述装置用于在公共输入端口与两个或更多端口之间馈送信号，其特征在于，所述装置包括导体腔体、一个馈线分支网络、电介质元件和拉杆；

所述导体腔体的第一边沿设置有输入端口和输出端口，第二边沿设置有安装电介质元件的拉杆；

所述馈线分支网络含有不同宽度的变压器金属矩形腔体部分，用于减小通过网络的信号反射，馈线分支网络通过一个或多个馈线结点和部分耦合输入端口与输出端口连接；所述馈线分支网络由位于导体腔体内部的带状线组成；所述导体腔体由两个位于带状线上部和下部的宽的壁，以及两个窄的壁组成；

所述电介质元件含有一个或多个变压器部分，用于减少通过网络的信号反射，其中，电介质元件与沿着该装置的第二边沿放置的馈线分支网络部分相邻的以及与来自输入端口的第一个结点相连的电介质元件两端都含有变压器部分，其余部分的电介质元件只在与馈线分支网络重叠的一端含有变压器部分；

所述拉杆沿着腔体的第二边沿放置，电介质元件固定在拉杆上。

2.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述电介质元件的变压器部分通过削减电介质元件的宽度形成。

3.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述电介质元件的变压器部分通过削减电介质元件的厚度形成。

4.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述拉杆由热伸长的材料制成，所述热伸长的材料为金属或玻璃纤维。

5.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述导体腔体包含了一组纵向导向的凸出卡位部分，该纵向导向的凸出卡位设置于所述第二边沿附近宽的腔体内表面上。

6.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，每个电介质元件包含两个相同部分，该两个相同部分设置于导体腔体的宽的壁之间，且此两个相同部分分别位于沿着该装置的第二边沿放置的带状线部分的两侧，同时电介质元件固定在拉杆上，设置在导体腔体的宽的壁之间。

7.根据权利要求6所述的装置，其特征在于，每个电介质元件被制作成一个整体，且包含有用于放置带状线的纵向空心狭槽和用于连接拉杆的纵向孔或通道。

8.根据权利要求7所述的装置，其特征在于，每个电介质元件都包含有用于将其放置在宽的壁的内表面上的纵向导向的凸出卡位的纵向导向槽。

9.根据权利要求6-8任一项所述的装置，其特征在于，每个电介质元件由上下层组成，且由塑料注塑工艺一体成型制造而成。

10.根据权利要求1中所述的装置，其特征在于，每个电介质元件含有用于容纳带状线的纵向空心狭槽，纵向空心狭槽的内表面设置有引导带状线的倒角和用于在拉杆上安装电介质元件的小凸台，小凸台装入拉杆中的孔内。

11.根据权利要求10中所述的装置，其特征在于，电介质元件通过模具注塑一体制成，且电介质元件上开设有至少一个缺口，所述缺口用于调节电介质元件与馈线分支网络的接触面积。

12.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述带状线连接到所述输出端口，并且，连接到输出端口的带状线中包含有电介质基板，且分别位于带状线两侧的宽的壁之间。

13.根据权利要求12中所述的装置，其特征在于，电介质元件的基板由低介电常数的材料制成。

14.根据权利要求13中所述的装置，其特征在于，所述低介电常数的材料为泡沫类材料。

15.根据权利要求14中所述的装置，其特征在于，所述泡沫类材料为聚乙烯泡沫。

16.根据权利要求12所述的装置，其特征在于，所述连接到输出端口的带状线中包含不导电间隔物，间隔物支撑宽的壁之间的带状线。

17.根据权利要求9所述的装置，其特征在于，带状线在下层电介质元件的基板上的一边形成，基板支撑宽的壁之间的带状线。

18.根据权利要求1或17所述的装置，其特征在于，上层电介质元件的基板位于下层电介质元件的基板上的带状线之上。

19.根据权利要求18所述的装置，其特征在于，带状线在电介质元件的基板上的两边形成，基板支撑宽的壁之间的带状线。

20.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，至少一条位于结点和输出端口之间的馈线包含的波阻抗至少比输出端口以及连接到输出端口的变压器部分的阻抗高20％。

21.一种包含权利要求1-20任一项所述的装置的天线，其中至少两个天线元件直接或通过同轴电缆连接到所述装置的输出端口；所述装置可由多个单导体腔体网络叠加而成。