CN1072849C

CN1072849C - 可变差分移相器

Info

Publication number: CN1072849C
Application number: CN94193994A
Authority: CN
Inventors: 罗杰·约翰·布特兰德; 威廉·埃尼尔·海因茨
Original assignee: DELTEC INTERATIONAL TELECOMMUNICATION SYSTEM Ltd
Current assignee: Commscope Technologies LLC
Priority date: 1993-10-14
Filing date: 1994-10-14
Publication date: 2001-10-10
Anticipated expiration: 2014-10-14
Also published as: CN1134201A; US5801600A; AU8005794A; AU688398B2; WO1995010862A1

Abstract

本发明提供一种可变差分移相器。该器件提供从单个输出中得到两个输出之间连续的相位变化。该器件适用于900MHz附近的信号频率，它是这样构成的，内套(38)和外套(37)分别容性地耦合到内导电杆(24)和外导电管(26)上，内套(38)和外套(37)连接到输入端上，它们能以固定的相对关系移动，从而改变连接到内杆(24)和外管(26)的两输出端之间的相位关系。在内杆(24)和外管(26)周围设置电介质层(25和27)。通过在部分内杆周围包有电介质管来提供器件的不等功率分配形式。

Description

可变差分移相器

技术领域

本发明涉及可变差分移相器。本发明的可变差分移相器可以把两个输出信号的相位相对于输入信号在给定的范围连续地变化。本发明的差分移相器尤其适用于使天线阵的波束俯仰。

背景技术

参见图1，图中示出了现有技术的由四个单元1-4组成的天线阵。馈线5提供驱动天1-4的信号。线5的信号在两条支路之间平分。馈线6提供天线单元1和2的驱动信号。支路6的信号进一步在支路9和10之间分配。在支路10上设置一移相器11，用以相对于驱动天线单元1的信号的相位使提供给天线单元2的信号的相移β。在支路中7中，移相器8相对于支路6内的信号的相位引入2β的相移。把该移相后的信号在支路12和13之间分配。因此，天线单元3接收有2β相移的驱动信号。在支路13设置另一个移相元件14，所以驱动天线单元4的信号的相位移动了3β。

因此，天线单元1,2,3,4相移量分别为0,1β,2β,3β。这样，可以使天线阵的波束俯仰所希望的量。有时，为了控制旁瓣强度和波束形状，可以不用累进相移。还可以采用不等功率分配方法。

在现有的系统中，移相器8,11和14可以是有一定长度的电缆或者有源移相器。通常，采用PIN二极管的有源移相器，可以使二极管导通或截止而在馈线网络的支路上引入相移。移相器可以包括多个PIN二极管，根据需要在馈送路径内引入不同大小的延迟。

这种现有技术的移相器的缺点是它们通常只能在各支路之间以步进的方式提供相移，一般不能在支路之间提供连续的差分相移。而且，在有源系统中使用大功率PIN二极管昂贵(尤其是在使用大量天线单元的系统中花费很大)，再则二极管的损耗要比现有器件的损耗大。使用PIN二极管的有源系统还带入了非线性和互调。

本发明的其它特殊的优点如下：

因为没有滑动金属触头，所以移相器几乎不需要维护。如果使用了合适的电介质(例如聚四氟乙烯)，滑动摩擦将很小。在设计机械驱动结构或选择合适的电动机时这是一个优点。因为在触头内没有滑动导电表面，所以可以使移相变化速度最大。

而且，对于所需要的差分移相，机械移动量为线内移相器所需移动量的一半。这可以使结构更紧凑。最后，在移相器结构中引入匹配段Z3降低了一般馈线网络(如图1所示的)的制造成本。

发明内容

本发明的目的是提供一种可变差分移相器，它克服了上述缺点，或者至少向公众提供了一种有用的选择。

因此，本发明的一个方面是提供一种可变差分移相器，它包含：

一同轴线包含内导电杆和其端部联接到第一和第二输出端的外导电管；

容性地耦合到内导电杆上，并可以沿着它滑动的内套；和

容性地耦合到外导电管上，并可以沿着它滑动的外套；内套和外套连接到输入端上，并且可以沿着所述同轴线以固定的相对关系滑动，以改变第一和第二输出端处输出的信号相对于提供给输入端的信号的相位关系。

较好的做法是，在分别在内导电杆外面和内套和外套之间的外导电管外面设置一电介质层。输出端最好是渐变圆锥形，它能使移相器直接连接到同轴电缆上。

输入端最好包含与在外导电管的槽内滑动的内套垂直的杆，该杆与垂直于外套的管同轴，并通过中间的电介质保持与其固定的关系，远离这些套的杆和管的端部连接到一渐变圆锥体上。

还提供一个不等功率可变移相器，它有一电介质管，绕一段内导电杆设置，所以在第一和第二输出端上的功率输出是不等的。

附图概述

现在参考附图通过例子来描述本发明，其中：

图1是现有的天线阵的示意图；

图2示出了根据本发明的一个方面的可变差分移相器的剖面图。

图3示出了图2所示的外导电管沿箭头A方向的视图。

图4示出了含有本发明的移相器的天线阵。

图5示出一种连接诸移相器的机械结构。

图6示出一种不等功率分配的可变差分移相器。

参见图2，图2示出了根据本发明的一个方面的等功率分配的可变差分移相器。所示的所有部件的横截面都是圆形的。在另外实施例中，可以用其它的诸如方形、矩形或者六边形的横截面。

同轴电缆21向移相器提供信号，移相器的输出信号通过同轴电缆22和23输出。同轴电缆21的中心导体21a通过圆锥段34电气地连接到馈送杆32上。馈送杆电气地连接到可以沿内导电杆滑动的内套38上。内导电杆24上最好沿其长度方向上设置一层薄的电介质涂层25，这样内导电杆24和内套38之间容性耦合。内导电杆24的端部通过圆锥段28和30连接到内导体22a和23a上。

同轴电缆21的外导体21b通过圆锥部分35电气地连接到馈送管33上。馈送管33电气地连接到可以沿外导电管26滑动的外套37上。在外导电管26上沿外套37滑动的长度方向设置一层薄的电介质层27。外导体26的端部通过圆锥段31和29分别连接到外导体22b和23b上。

电介质覆盖层25和27应当是一种射频低损耗材料，并且最好具有低的摩擦系数。一种合适的材料为聚四氟乙烯。

馈送杆32通过电介质块36保持与馈送管33固定的关系。参见图3，可以看到在外导电管26上沿其轴向设置有槽39。如T形组件(33,37,32,38)沿外导电管26来回滑动一样，馈送杆32可以在槽内滑动。可以理解，除了电介质材料25,27和36之外，所有指出的部件可以用诸如黄铜、紫铜等合适的导电材料制成。

内导电套38、电介质层25和内导电杆24的结构形成了容性耦合。同样，外套38、电介质层27和外导电管26的结构形成另一容性耦合。当频率在900MHz附近或者之上，容性耦合的电抗很小，所以在套37和38与外导电管26和内导电杆24之间分别构成了直接联接。

把提供给输入电缆21的信号在两路输出(即同轴输出电缆22和23)之间均分。通过相对于外导电管26滑动T形段，可以改变提供给输出同轴电缆22和输出同轴电缆23的信号的相位。例如，如果移动T形连接使它位于外导电管26的中心的左侧，则信号传输到输出同轴电缆22的距离小于传输到输出同轴电缆23的距离，因此，输出到同轴电缆23的信号相对于输出到同轴电缆22的信号有一相位延迟。把T形段沿着外导电管26向右或向左滑动，可以在输出22,23之间实现所要的相位差。应当理解，所描述的移相器能使输出22,23之间的相位在允许的范围内连续地变化。

对于图2所示的等功率分配的可变差分移相器，Z₁,Z₂和Z₃是所示部件的特性阻抗，R_L为系统阻抗(在这种情况下为50欧)。

对于等功率分配：

Z₁=Z₂=Z₃

Z₃=R_L/2如果进行适当的端接，中间抽头点阻抗Z_T等于两个R_L负载并联(Z_T=R_L/2)。

因此，在线21和中间抽头点之间需要一个匹配段。它由馈送杆32、馈送管33和电介质材料36形成。馈送杆32的长度最好为四分之一波长，而内导电套38的长度最好在波长的十六分之一到八分之一之间。

如果，例如，系统阻抗为50欧，则

Z₁=Z₂=50欧

Z_T=25欧以及

Z₃=35.4欧

对于不等功率分配可变差分移相器，Z₁不等Z₂。一种选择是让Z₁或者Z₂=R_L，而其它的特性阻抗小于R_L，例如：

Z₁=R_L

Z₂＜Z₁以及

l₂=λ/4则

Z 3 = \frac{R_{L} Z_{2}}{\sqrt{Z_{2}^{2} + R_{L}^{2}}}

以使传输线Z₁的输入阻抗与R_L匹配(其中l₂为Z₂段的电长度)。

变换器Z₃可以由两段构成：一段为Z₃′和另一段为Z₃″。一种做法它可以制成具有渐变的特性阻抗。本领域的熟练人员可以认识到，这些替换的做法将增大器件的工作带宽。

现在参见图6，为了把Z₂段的阻抗调节到所需要的值，可以把电介质管40固定到能相对于内导电杆24滑动的内套38上。然而应当理解，也可以用其它方法来改变Z₂段的阻抗。

还应理解，在另一些实施例中，可以用同轴电缆22或23来驱动移相器。如果用同轴电缆22来驱动移相器，则在同轴电缆23处的输出保持与同轴电缆22的输入恒定的相位关系。当T形段来回滑动时只有同轴电缆21的输出才有变化。应当理解，对于这种结构，可以用与上述相同的方法来调节特性阻抗，但Z₁和Z₃互换了位置。如果所需要的电介质材料不多，电介质管36可以用端部的垫圈来代替。

现在参见图4，图中示出了含有本发明的移相器的天线阵。天线阵由天线单元40到43组成。移相器45到47的形式如图2所示。移相器45在支路48和49之间分配由馈线44提供的信号。移相器46在天线单元40和41之间分配馈线48的信号。移相器47在天线单元42和43之间分配馈线49的信号。

如果移相器46和47的T形段从它们的中心位置向上移动距离d，移相器45的T形段从其中心位置向上移动距离到2d，则天线单元40,41,42和43得到0,β,2β,3β的相移。因此，应当理解，把移相器46和47从中心位置移动距离d，把移相器45移动距离2d，可以使天线的波束以任意所要求的量俯仰。

在一个实施例中，可以进行机械联接，以使移相器46和47的T形段协调移动，并使移相器45的T形段移动距离是移相器46和47的移动距离的两倍。移相器46和47的T形段可以用刚性部件进行连接，以保证它们协调移动，而移相器45的T形段可通过装在枢轴上的臂来连接到该(刚性)部件上，从而使移相器45的T形段的移动距离为移相器46和47的T形段的移动距离的两倍。

图5示出了一种可能的机械结构。把元件50的点51和52连接到移相器46和47的T形段上，以确保它们协调移动。部件53可以在点54处枢轴地连接到部件50上。部件53的一端55可以连接到天线座的枢轴点上。另一端56可以连接到移相器45的T形段上。枢轴点54和点56之间的长度可以与枢轴点54和枢轴点55之间的长度57相等。这样，移相器45的T形段的移动距离为移相器46和47的移动距离的两倍。

应当理解，有许多其它可能的机械结构可以用来以所要求的方式调节T形段。如果不需要累进移相，则长度57可以大于或小于长度58。在不要求累进移相的场合，可以使用非线性联动机构。联动机构可以手动调节，或者用合适的齿轮传动的电动机、步进电动机等来驱动。

因此本发明提供了一种适合应用于大功率移相的较廉价的连续可变的差分移相器。本发明的移相器可以在大功率天线阵上得到应用。

在上面的描述中，已经引用了具有已知等效物整体或部件，把这些等效物引用在此，就如分别进行了描述。

虽然，已通过例子描述了本发明，但应当理解，可以不脱离本发明的范围或精神而改进和/或变更本发明。

工业应用性

本发明的可变差分移相器可以应用于需要波束俯仰或偏斜的天线阵的构造和操作。这种天线阵可以应用在诸如蜂窝网等无线通信中。这种可变差分移相器还可以在需要改变两路输出信号相位的装置场合中取代PIN二极管。

Claims

1．一种可变差分移相器，包含：

同轴线，包含内导电杆和其端部连接在第一和第二输出端上的外导电管；

其特征在于，还包含：

容性地耦合到内导电杆上并可沿其滑动的内套；和

容性地耦合到外导电管上并可沿其滑动的外套；内套和外套连接到输入端上，并可沿所述同轴线以固定的相对关系滑动，以改变第一和第二输出端输出的信号相对于提供给输入端的信号的相位关系。

2．如权利要求1所述的可变差分移相器，其特征在于，在内导电杆外面和在内套与外套之间的外导电管的外面分别设置一电介质层。

3．如权利要求1所述的可变差分移相器，其特征在于，输出端直接联接到同轴电缆上。

4．如权利要求3所述的可变差分移相器，其特征在于，输出端具有一连接到同轴电缆上的距输出端有不同的直径的渐变圆锥体，所以能获得最小的电压驻波比。

5．如权利要求1至4之一所述的可变差分移相器，其特征在于，输入端包含第二同轴线，第二同轴线包含：

第二内导电杆和第二外导电管，所述第二内导电杆与第二外导电管同轴，所述第二内导电杆和所述第二外导电管分别基本上垂直地连接到内套和外套上，并且第二内导电杆在外导电管的槽内滑动。

6．如权利要求5所述的可变差分移相器，其特征在于，输入端直接联接到同轴电缆上。

7．如权利要求5所述的可变差分移相器，其特征在于，第二同轴线在其远离套的一端有-圆锥体，以连接到具有不同直径的同轴电缆的输入端，以获得最小的电压驻波比。

8．如权利要求5所述的可变差分移相器，其特征在于，第二内导电杆通过中间电介质材料以固定的关系固定到外导电管上。

9．如权利要求1所述的可变差分移相器，其特征在于，沿内导电杆的长度方向设置一电介质管，使第一和第二输出端上的功率输出不等。

10．如权利要求5所述的可变差分移相器，其特征在于，所述第二内导电杆和所述第二导电管的径向尺寸单独或共同沿它们各自的长度变化，以提供变化的特性阻抗。

11．如权利要求8所述的可变差分移相器，其特征在于，所述第二内导电杆、第二外导电管和中间电介质的径向尺寸单独或共同沿它们各自的长度变化，以提供变化的特性阻抗。

12．如权利要求9所述的可变差分移相器，其特征在于，所述第二内导电杆、第二外导电管和中间电介质的径向尺寸单独或共同沿它们各自的长度变化，以提供变化的特性阻抗。

13．如权利要求10所述的可变差分移相器，其特征在于，所述第二内导电杆、第二外导电管和中间电介质的径向尺寸单独或共同沿它们各自的长度变化，以提供变化的特性阻抗。

14．如权利要求5所述的可变差分移相器，其特征在于，所述第二同轴线适于提供渐变的特性阻抗。

15．如权利要求5所述的可变差分移相器，其特征在于，所述第二同轴线适于提供两种不同的特性阻抗。