CN105849971B - 减少rf电缆的增强移相电路 - Google Patents

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Abstract

一种多频带天线系统包括宽频带辐射元件的阵列和多频带电倾斜电路。多频带电倾斜电路包括实施在共同媒介中的第一RF频带可变移相器、第二RF频带可变移相器和多个合成器。所述共同媒介可包括PCB、带状线电路、等。每一个合成器包括合成端口、第一RF频带端口、和第二RF频带端口。合成端口联接至辐射元件。第一RF频带移相器具有多个第一可变移相端口(其经由传输线连接至合成器的第一RF频带端口)，并且第二RF频带移相器具有多个第二可变移相端口(其经由传输线连接至合成器的第二RF频带端口)。移相器独立地可配置。

Description

减少RF电缆的增强移相电路
相关申请
本申请涉及申请号为61/925,903的临时申请，其公开通过引用并入。
背景技术
本发明大体涉及无线通信天线。特别地，本发明涉及改进的馈电网络用于使用辐射元件的阵列用于多于一个通信频率带。
用于无线的声音和数据通信的双频带天线是已知的。例如，用于GSM服务的常见频率带包括GSM900和GSM1800。GSM900操作在880-960MHz。GSM1800操作在1710-1880MHz的频率范围。用于以这些频率带通信的天线包括由馈电网络连接的辐射元件阵列。为了有效传输和接收射频(RF)信号，辐射元件的大小通常匹配至操作的意图频带的波长。因为900MHz频带的波长比1800MHz频带的波长长，用于一个频带的辐射元件通常不用于其他频带。就这一点而言，双频带天线已被开发，其包括用于所述两个频带的不同辐射元件。参见，例如，专利号为6,295,028的美国专利、专利号为6,333,720的美国专利、专利号为7,238,101的美国专利和专利号为7,405,710的美国专利，其公开内容通过引用并入。
在一些双频带系统中，宽频带辐射元件正在被开发。在这样的系统中，具有至少两个辐射元件阵列，包括用于低操作频率带(例如，在790-862MHz处的数字红利(DigitalDividend)和/或GSM900)的一个或多个低频带元件阵列，以及用于高操作频率带(在1920MHz-2170MHz处的UTMS和/或GSM1800)的一个或多个高频带辐射元件的阵列。
已知的双频带天线尽管是有用的，但是可能不足以容纳未来的传输需求。在各个全球市场中无线数据传输正引人注目地增长。数据服务用户数量不断增长并且每个用户的传输量增加。这至少部分地归因于越来越普及的“智能电话”，诸如iPhone、基于安卓的设备、以及无线调制解调器。无线数据的增长的需求正超过传统双频带无线通信网络的容量。因此，有附加的频率带用于无线通信。例如，LTE2.6操作在2.5-2.7GHz且WiMax操作在3.4-3.8GHz。
一个解决方案是增加附加的天线至塔，以操作在LTE和更高的频率。然而，简单地增加天线造成塔载荷和站点许可/分区规则(site permitting/zoning regulations)的问题。另一解决方案是提供多频带天线，其对于每一个频率带包括至少一个辐射元件阵列。参见，例如，公开号为2012/0280878的美国专利，其公开通过引用并入。然而，多频带天线可导致天线宽度的增加，以容纳增加数量的辐射元件阵列。更宽的天线可能不适应现有的位置，或者，如果其可以物理地安装至现有的塔，所述塔可能未被设计以容纳更宽的天线的额外风载荷。替换塔结构是当从单频带天线升级至双频带天线时移动通信网络操作者希望避免的开支。另外，分区规则可能阻止在一些区域使用更大的天线。
另一试图的解决方案可在Hofmann等的申请号为PCT EP201I/063191的申请中找到。Hofmann建议使用双信器以将在2.6GHz的LTE频率带与在1.9-20GHz的SCDMA频率带组合，并且应用全部两个频带至共同的辐射元件。这有助于减小天线宽度，但是以增加天线中的同轴传输线的数目为代价。在Hofmann的图2的例子中，每列例示了八个双极化辐射元件。对于每一列，对于两个极化中的每一个可以有八个LTE同轴线和八个SCDMA同轴线，得到每列总共32个同轴线。如果例示四列，则Hofmann的解决方案可仅在移相器和双信器之间就需要128根同轴线。
发明内容
多频带天线系统可包括宽频带辐射元件阵列和多频带电倾斜电路。多频带电倾斜电路可包括实施在共同媒介中的第一RF频带可变移相器、第二RF频带可变移相器和多个合成器。所述共同媒介可包括PCB、带状线电路(stripline circuit)、等。所述多个合成器中的每一个合成器可包括合成端口(combined port)、第一RF频带端口、和第二RF频带端口。合成器的合成端口联接至宽频带辐射元件阵列。第一RF频带可变移相器具有多个第一可变移相端口(其经由传输线连接至所述多个合成器的第一RF频带端口)，并且第二RF频带可变移相器具有多个第二可变移相端口(其经由传输线连接至所述多个合成器的第二RF频带端口)。第一RF频带可变移相器与第二RF频带可变移相器独立地可配置。
当共同媒介包括单个的印刷电路板时，所述多个合成器、第一RF频带移相器的至少固定的部分和第二RF频带移相器的至少固定的部分被制造为所述单个印刷电路板的部分。
多频带电倾斜电路可通过包括相应数目的附加频带移相器和合成器上的附加端口进一步包括第三频带、第四频带、或更多频带。合成器的数目可等于宽频带辐射元件的数目。合成器可使用PCB上的阶梯阻抗微带实施。合成器可包括双信器(diplexer)和/或双工器(duplexer)。
如权利要求1所述的多频带天线系统可被实施为双极化天线系统。在此例中，宽频带辐射元件包括双极化宽频带辐射元件，且多频带电倾斜电路包括第一极化多频带电倾斜电路，其联接至双极化宽频带辐射元件的第一极化元件，所述多频带天线系统进一步包括第二极化多频带电倾斜电路，其联接至双极化宽频带辐射元件的第二极化元件。在另一双极化例子中，可以有第一多频带电倾斜电路(其实施在联接至双极化宽频带辐射元件的第一极化馈电的共同媒介中)和第二多频带电倾斜电路(其实施在联接至双极化宽频带辐射元件的第二极化馈电的另一共同媒介中)。
附图说明
图1是根据本发明的一个例子的双频带电倾斜电路板的示意图。
图2是在天线系统情况下的双频带电倾斜电路板的示意图。
图3是根据本发明用于双频带电倾斜电路板的印刷电路板布局的一个例子。
图4是根据本发明的印刷电路板布局的第二例子，其包括直接安装在电路板上的多个双信器。
图5是图4的例子的另一视图，其中空腔壳体被移除以显示更多细节。
图6是可被用在图4和5的印刷电路板布局中的双信器的详细视图。
具体实施方式
多频带电倾斜电路板10在图1中以示意性的形式例示。如本文所使用的，“多频带”指两个或更多的频带。多频带电倾斜电路板10包括用于第一RF频带的传输线终端12、用于第二RF频带的传输线终端14、第一RF频带可变移相器16、以及第二RF频带可变移相器18。传输线终端12是用于端接来自操作在第一RF频带的无线电(radio)的传输线，诸如同轴电缆，并且传输线终端14是用于端接来自操作在第二RF频带的无线电的传输线。在天线系统的背部或底部上可也有传输线终端，在终端和多频带电倾斜电路板10之间具有中间电缆。传输线终端12、14可包括焊接盘(solder pads)或电容耦合(capacitive coupling)。此多频带电倾斜电路板10可适合于具有单极化的天线。在另一例子中，两个多频带电倾斜电路板10被采用，对于双极化天线的每一个极化有一个。
移相器16、18可包括如专利号为7,907,096的美国专利(其通过引用并入)所例示的可变差分、弧形移相器(arcuate phase shifters)。在这样的可变移相器中，可旋转的接带臂(wiper arm)将RF信号可变地联接至固定的弧形传输线。在所例示的例子中，移相器执行沿无线电传输方向的1∶7功率分割(其可以是锥形变化的(tapered)或者不是锥形变化的)，以及沿无线电接收方向的7∶1合成。本领域技术人员将容易地认识到其他类型的移相器，诸如具有更多或更少端口的移相器，可以被使用而不偏离本发明的范围和精神。在本文中，术语“输入”和“输出”指当从基站无线电传输到天线的辐射元件时RF信号的方向。然而，本文的设备也沿接收方向操作，并且如果考虑从辐射元件到基站无线电的RF信号流，术语“输入”和“输出”可以反过来。以第一RF频带可变移相器为例，输入联接至传输线终端12。移相器具有七个输出端口，其中的六个差分可变地移相。还有一个维持固定相位的输出，然而，具有与输入成固定相位关系的输出是可选的。
移相器16、18的七个输出分别地联接至七个合成器20。每一个合成器具有三个端口：1)联接至移相器16的输出的第一RF频带端口；2)联接至移相器18的输出的第二RF频带端口；以及3)合成端口。合成器20的第一和第二RF频带端口联接至移相器16、18上的相应输出。例如，第一合成器20的第一RF频带端口联接至第一RF频带移相器16的第一输出，并且第一合成器20的第二RF频带端口联接至第二RF频带移相器18的第一输出。在此例中，每一个合成器20的第一RF频带端口配置为传递对应于第一RF频带的信号，且每一个合成器20的第二RF频带端口配置为传递对应于第二RF片段的信号。每一个合成器20的合成端口联接至电缆终端22。合成端口配置为传递第一RF频带和第二RF频带二者。
包括移相器16、18和合成器20的多频带电倾斜电路板10，可以在共同媒介中实施。共同媒介可包括印刷电路板、气浮条线构造(air suspended stripline construction)、或其他合适的媒介。在另一个例子中，移相器16、18可以在共同媒介上实施，且合成器20可被单独地制造并安装在所述共同媒介上。例如，合成器可被实施为微带馈电空腔滤波器(microstrip-fed cavity filter)，其焊接到包括移相器16、18的PCB上。
尽管图1的多频带电倾斜电路板10被例示为服务两个RF频带，本领域技术人员将认识到，此结构可被扩展到三个或更多RF频带。在这样的情况下，移相器的数目，以及合成器上的端口的数目，可随着每个附加的频带而增加。附加地，多频带电倾斜电路板10可被配置用于高频带或低频带操作。在涉及低频带频率的一个例子中，第一RF频带可包括880-960MHz且第二RF频带可包括790-862MHz。在涉及高频带频率的另一个例子中，第一RF频带可包括1710-1880MHz且第二RF频带可包括1920MHz-2170MHz。关于这个例子可替代地，可包括在2.5-2.7GHz的第三RF频带。在另一个替代实施例中，第一RF频带可以是1710-2170MHz且第二RF频带可以是2.5-2.7GHz。附加的频带的组合是可以预期的。
参考图2，来自图1的多频带电倾斜电路板10的示意性例示图被例示为同轴连接至其他部件。每个天线元件34通过同轴传输线32和电缆终端22联接至合成器20。在一些实施例中，每个辐射元件可以与电路板或板关联用于端接同轴传输线36并用于提供平衡-不平衡变换器、用于将RF信号从不平衡变换至平衡并变换回去。传输线终端12端接来自操作在第一RF频带的无线电的同轴传输线36，并且传输线终端14端接来自操作在第二RF频带的无线电的同轴传输线38。
参考图3，例示了多频带电倾斜电路板110的物理实施的一个例子。在这个例子中，双信器120a-120g、第二频带移相器118和第一频带移相器116的固定部分使用印刷电路板(PCB)制造技术实施。还例示了同轴终端112和114。用于移相器116、118的可旋转接带臂未被例示，以增强移相器116、118的固定部分的清晰度。最优选地，双信器120a-120g和移相器116、118的固定部分被制造在共同的PCB上，微带传输线提供部件之间的连接。这允许显著减少所需要的电缆。
参考图4和5，例示了多频带电倾斜电路板210的物理实施的第二例子。在此例中，多个双信器220的每个被实施为包括空腔壳体240的微带馈电空腔滤波器。双信器220的微带部分可以被制造在与第二频带移相器218和第一频带移相器216的固定部分相同的PCB上。在另一个例子中，双信器220是单独制造的PCB和空腔壳体组合，并且被直接焊接至包括第一频带移相器216和第二频带移相器218的PCB。
双信器可包括两个系列陷波滤波器(见，例如，图5和6)，其具有在中间的共同的端口222、在一端的第一频带输入224和在另一端的第二频带输入226。空腔壳体240可被机械制造以提供封闭双信器220的每个陷波滤波器的空腔。调谐杆242可也被包括以进一步调谐陷波滤波器的频率响应。图5例示了多频带电倾斜电路板210，其中空腔壳体240被移除。
参考图6，图5的双信器220中的一个被详细例示。双信器220每一个具有共同的端口22、第一频带输入224、和第二频带输入226。所例示的实施例包括在第一频带输入224和共同的端口222之间的三个陷波滤波器228a、和第二频带端口226和共同的端口222之间的三个陷波滤波器228b。陷波滤波器228a、22b被配置为分别通过第一和第二频带，并且阻止其他频率。替代地，双信器可以是许多共振短截线(resonant stub)，其用作带阻滤波器，阻止特定频带中的能量。共振频率最严重地取决于短截线的长度以及短截线如何被端接。例如，开路短截线将阻止频率使得短截线是四分之一波长长，而短路短截线将阻止频率使得短截线是半波长长。短截线的阻抗也影响其性能，且在许多情况下在按dB计的抑制(rejection)的量或按频率计的频带宽度方面的性能通过将短截线剖分为分段而改善，所述分段每一个具有其单独的阻抗。
同轴终端212和214也例示在图4和5中。用于移相器216、218的可旋转接带臂未被例示，以增强移相器216、218的固定部分的清晰度。优选地，双信器220和移相器216、218的固定部分被制造在共同的PCB上，微带传输线在部件之间提供连接。这允许显著减少所需要的电缆。
本发明的结构允许对于每一个频带独立调整下倾。另外，本发明相对于已知解决方案减少了重量和布线复杂性。
尽管本发明已参考各种实施例在以上描述，应理解，可做出许多改动和修改而不偏离本发明的范围。因此旨在，前述详细描述被认为是例示性的而不是限制性的，并且应理解，权利要求，包括所有的等同物，才是旨在限定本发明的精神和范围。

Claims (19)

1.一种多频带天线系统，包括：
宽频带辐射元件的阵列；
多频带电倾斜电路，实施在共同媒介中，包括：
多个合成器，每一个合成器具有合成端口、第一RF频带端口和第二RF频带端口，合成器的合成端口耦接至宽频带辐射元件的阵列；
第一RF频带可变移相器，具有多个第一可变移相端口，所述多个第一可变移相端口经由多个第一传输线连接至所述多个合成器的第一RF频带端口；和
第二RF频带可变移相器，具有多个第二可变移相端口，所述多个第二可变移相端口经由多个第二传输线连接至所述多个合成器的第二RF频带端口；
其中所述第一RF频带可变移相器能够与所述第二RF频带可变移相器独立地配置。
2.如权利要求1所述的多频带天线系统，其中共同媒介包括单个印刷电路板，并且所述多个合成器、第一RF频带可变移相器的至少固定的部分和第二RF频带可变移相器的至少固定的部分被制造为所述单个印刷电路板的一部分。
3.如权利要求1所述的多频带天线系统，进一步包括具有多个第三可变移相端口的第三RF频带移相器，并且其中每一个合成器进一步包括耦接至所述多个第三可变移相端口的第三RF频带端口。
4.如权利要求1所述的多频带天线系统，进一步包括多个宽频带辐射元件的阵列。
5.如权利要求1所述的多频带天线系统，其中合成器的数目等于宽频带辐射元件的数目。
6.如权利要求1所述的多频带天线系统，其中所述宽频带辐射元件包括双极化宽频带辐射元件，且多频带电倾斜电路包括耦接至双极化宽频带辐射元件的第一极化元件的第一极化多频带电倾斜电路，所述多频带天线系统进一步包括耦接至双极化宽频带辐射元件的第二极化元件的第二极化多频带电倾斜电路。
7.如权利要求1所述的多频带天线系统，其中所述合成器使用PCB上的阶梯阻抗微带实施。
8.如权利要求1所述的多频带天线系统，其中每个合成器包括双信器。
9.如权利要求1所述的多频带天线系统，其中每个合成器包括双工器。
10.如权利要求1所述的多频带天线系统，其中共同媒介包括带状线组件，并且所述多个合成器、第一RF频带可变移相器的固定的部分和第二RF频带可变移相器的固定的部分都被制造为所述带状线组件的一部分。
11.一种多频带天线系统，包括：
双极化宽频带辐射元件的阵列，所述双极化宽频带辐射元件包括第一极化馈电和第二极化馈电；
第一极化多频带电倾斜电路，实施在第一共同媒介中，包括：
多个第一极化合成器，每一个合成器具有合成端口、第一RF频带端口和第二RF频带端口，合成器的合成端口耦接至双极化宽频带辐射元件的阵列的第一极化馈电；
第一RF频带第一极化可变移相器，具有多个第一可变移相端口，所述多个第一可变移相端口经由多个第一传输线连接至所述多个第一极化合成器的相应第一RF频带端口；和
第二RF频带第一极化可变移相器，具有多个第二可变移相端口，所述多个第二可变移相端口经由多个第二传输线连接至所述多个第一极化合成器的相应第二RF频带端口；以及
第二极化多频带电倾斜电路，实施在第二共同媒介中，包括：
多个第二极化合成器，每一个合成器具有合成端口、第一RF频带端口和第二RF频带端口，所述第二极化合成器的合成端口耦接至宽频带辐射元件的阵列的第二极化馈电；
第一RF频带第二极化可变移相器，具有多个第一可变移相端口，所述多个第一可变移相端口经由多个第三传输线连接至所述多个第二极化合成器的相应第一RF频带端口；和
第二RF频带第二极化可变移相器，具有多个第二可变移相端口，所述多个第二可变移相端口经由多个第四传输线连接至所述多个第二极化合成器的相应第二RF频带端口；
其中，第一极化多频带电倾斜电路的第一RF频带第一极化可变移相器能够与第一极化多频带电倾斜电路的第二RF频带第一极化可变移相器独立地配置，且第二极化多频带电倾斜电路的第一RF频带第二极化可变移相器能够与第二极化多频带电倾斜电路的第二RF频带第二极化可变移相器独立地配置。
12.如权利要求11所述的多频带天线系统，其中第一共同媒介和第二共同媒介包括相应的第一单个印刷电路板和第二单个印刷电路板，且所述多个第一极化合成器、第一极化多频带电倾斜电路的第一RF频带第一极化可变移相器的至少固定的部分以及第二RF频带第一极化可变移相器的至少固定的部分被制造为第一单个印刷电路板的一部分，且所述多个第二极化合成器、第二极化多频带电倾斜电路的第一RF频带第二极化可变移相器的至少固定的部分以及第二RF频带第二极化可变移相器的至少固定的部分被制造为第二单个印刷电路板的一部分。
13.一种多频带天线系统，包括：
宽频带辐射元件的阵列；
多频带电倾斜电路，包括：
多个合成器，每一个合成器具有合成端口、第一RF频带端口和第二RF频带端口，每个合成端口耦接至宽频带辐射元件的阵列；
第一RF频带可变移相器，具有第一输入和多个第一输出，所述多个第一输出经由多个第一传输线中的相应一些第一传输线连接至第一RF频带端口中的相应一些第一RF频带端口；和
第二RF频带可变移相器，具有第二输入和多个第二输出，所述多个第二输出经由多个第二传输线中的相应一些第二传输线连接至第二RF频带端口中的相应一些第二RF频带端口；
其中第一RF频带可变移相器能够与所述第二RF频带可变移相器独立地配置；且
其中第一RF频带可变移相器和第二RF频带可变移相器的固定的部分和所述多个合成器实施在共同媒介中。
14.如权利要求13所述的多频带天线系统，其中每个合成端口耦接至宽频带辐射元件的阵列中的相应辐射元件。
15.如权利要求13所述的多频带天线系统，其中每个合成器包括双信器。
16.如权利要求15所述的多频带天线系统，其中所述双信器包括陷波滤波器或带阻滤波器。
17.如权利要求13所述的多频带天线系统，其中每个合成器包括微带传输线。
18.如权利要求13所述的多频带天线系统，其中共同媒介包括单个印刷电路板，并且第一RF频带可变移相器的至少固定的部分和第二RF频带可变移相器的至少固定的部分被制造为所述单个印刷电路板的一部分。
19.如权利要求13所述的多频带天线系统，进一步包括具有多个第三可变移相端口的第三RF频带移相器，并且其中每一个合成器进一步包括耦接至所述多个第三可变移相端口的第三RF频带端口。
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