CN1572044A - 用于操纵天线系统的设备 - Google Patents

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CN1572044A CNA028208331A CN02820833A CN1572044A CN 1572044 A CN1572044 A CN 1572044A CN A028208331 A CNA028208331 A CN A028208331A CN 02820833 A CN02820833 A CN 02820833A CN 1572044 A CN1572044 A CN 1572044A
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Abstract

一种设备(30)，用来调整提供给具有多个天线元件的天线每个元件(E1－En)的信号的相位，每个元件具有与之相应的各自的传输线(34a、34b)，所述设备包括：第一支持装置(32)，具有多个布置在其上的传输线(34a、34b)；和第二支持装置(36)，可相对于所述第一支持装置(32)移动，具有多个布置在其上的耦合链路(38)。每个所述耦合链路(38)包括设置成与至少一个所述传输线(34a、34b)电容性耦合的传输线段，使得所述第二支持装置(36)相对于所述第一支持装置(32)的运动改变所述传输线(34a、34b)中一个或多个的有效长度。

Description

用于操纵天线系统的设备
本发明涉及允许操纵天线系统的经过改进的设备，具体地说，涉及用于调整向具有多个天线元件的天线系统的每个元件提供的信号相位的设备。天线系统适用于许多远程通信系统，但对蜂窝电话无线电网络，一般称作移动电话网络特别有用。
蜂窝移动无线网的运营商一般都使用它自己的基站，每个基站包括一个或多个天线。在蜂窝移动无线网中，天线是限定所需覆盖区域的一个因素，覆盖区域一般划分为若干个重叠的小区，每个小区与各自的天线和基站相关。每个小区包含一个位置固定的基站，所述基站与所述小区内的无线电移动电话通信。基站本身用其他通信手段相互连接，或者通过固定陆上线路或者通过无线电链路，并且设置成网格或网络结构。允许小区覆盖区域内所有的无线电移动电话可以彼此通信并与蜂窝移动无线网外的公用电话网络通信。
用于这样的网络中的天线往往是被称作相控阵天线的复合装置，包括多个(一般8个或更多)或单个天线元件或偶极子的阵列。天线最大灵敏度的方向，亦即天线方向图主波束或“瞄准线”的垂直或水平方向可以通过调整子阵列之间的相位关系加以改变。其作用是允许操纵所述波束来改变天线的覆盖区域。
具体地说，蜂窝移动无线网中的相控阵天线的操作者往往要求调整天线的垂直辐射方向图(VRP)，亦称“仰角(tilt)”，因为它对天线的覆盖区域有着显著的影响。例如，由于网络结构的改变或在小区中加入或除去其他基站或天线，就需要调整覆盖区域。
天线仰角的调整是已知的，而且传统上在天线本身范围内通过机械装置、电气装置或者两者一起来实现。用机械方法调整仰角时，例如，用机械方法移动天线元件本身，或者用机械方法移动天线屏蔽器，这样的调整往往称作“机械仰角调整”。机械仰角调整的作用是重新定位瞄准线，使之指向水平线以上或以下。用电气方法调整仰角时，通过调整提供给天线元件的信号相位，而不用物理方法移动天线屏蔽器或天线元件本身，这样的调整一般称作“电仰角调整”。电仰角调整的作用是重新定位瞄准线，使之指向水平线以上或以下，但在这种情况下，通过改变馈送给阵列内每个元件(或一组元件)的信号之间的时延来达到。
实现电仰角可控的天线中的元件，一般组合成子阵列，每个子阵列包括一个或多个元件。改变馈送给每个子阵列的信号的时延，即可调整波束的电仰角。时延可通过改变射频载波的相位来实现。假定相位延迟正比于所感兴趣的频带的频率，而且外推至零频率的相位响应具有零截距，则相位延迟产生时延。因而相移和时延是同义词。
但是，所述方法的缺点是，对每个天线元件进行的时延调整只能是比较粗略的，可能造成非最优的增益和辐射方向图，上仰时尤为如此。
还已知提供一种天线，它允许独立调整施加在阵列中每一个元件上信号的时延。允许这样独立调整施加在各个天线元件上的信号的系统在美国专利5,905,462中描述。
但是，这种类型系统的缺点是，所述系统必须包括大量的移动件，每一个移动件必须移动，以便调整电仰角。这可能造成可靠性问题。
按照本发明的一个方面，提供一种设备，用来调整提供给具有多个天线元件的天线每个元件的信号的相位，每个元件具有与之相应的各自的传输线，所述设备包括：
第一支持装置，具有布置在其上的多根所述传输线；
第二支持装置，可以相对于所述第一支持装置移动，具有多个布置在其上的耦合链路；
其中，每一个耦合链路包括设置成与所述第一支持装置的至少一根所述传输线电容性耦合的传输线长度，使得所述第二支持装置相对于所述第一支持装置的运动改变所述传输线的有效长度。
最方便的是，第一和第二支持装置中的每一个都包括各自的板件，其上分别印刷或用其他方法布置传输线或耦合链路。
在一个实施例中，携带耦合链路的第二板件设置成可以基本上线性地相对于第一板件运动。在另一个实施例中，第二板件设置成可以相对于第一板件旋转或在角度方向上运动。
第二板件相对于第一板件的运动最好改变耦合链路和传输线之间的电容性耦合，以此改变传输线的有效长度。
所述设备还包括介质衬底，所述介质衬底设置在第一板件上，使得第二板件相对于第一板件的运动导致一个或多个耦合链路的较多或较少的部分伸展到所述介质衬底上面，以此进一步改变传输线上信号的相位。
在一个实施例中，介质衬底布置在第一板件上邻近传输线末端的位置上。
所述设备还包括布置在与第一板件相邻的位置的接地平面。
在一个实施例中，接地平面设置在携带介质衬底和第一板件的接地平面板件上。
所述设备还可以包括具有第二接地平面的第二接地平面板件，其中第二板件布置在第一板件和第二接地平面板件之间。
在另一个实施例中，传输线布置在第一板件的第一表面上，而导电接地平面布置在第一板件的相反的第二表面上。
最好在第一和第二板件之间设置介质隔离器，以助长它们之间的电容性耦合。
每一个耦合链路最好可以包括传输线的一个或多个U形长度。
在一个实施例中，布置在第一支持装置上的每根传输线基本上都是直的。在一个替代的实施例中，布置在第一支持装置上的每根传输线都是弓形的。
所述设备可以包括用于每个元件的耦合链路和传输线的串联配置。或者单根传输线可以与每个元件相联系。
在一个实施例中，与所述元件中的第一个相联系的传输线配置在与所述元件中的第二个相联系的传输线的径向外部。
另外，与所述元件中的第一个相联系的耦合链路配置在与所述元件中的第二个相联系的耦合链路的径向外部。
最好这样分别设置第一和第二支持装置的传输线和耦合链路，使得第二支持装置相对于第一支持装置的运动，允许按照不同于提供给至少一个其他元件的信号相位的量来调整提供给每个元件的信号的相位。
所述设备还可以包括分离器装置，用以把通过输入传输线提供的信号分配给与两个或两个以上元件相联系的各传输线。
所述设备还可以包括耦合到第二板件的执行装置，用以使第二板件产生相对于第一板件的运动。
执行装置可以是由伺服控制装置驱动的执行臂。
按照本实施例的另一个方面，天线系统包括多个天线元件和如上所述调整提供给天线系统的每个元件的信号的相位用的装置。
所述系统的天线元件最好安装在天线杆上，天线系统还包括用于控制伺服控制装置的控制装置，其中控制装置设置在天线杆的基座上。
在一个替代的实施例中，所述系统可以包括用于控制伺服控制装置的控制装置，其中所述控制装置设置在远离天线元件的位置上。
在一个实施例中，所述设备设置成独立地调整提供给每一个所述天线元件的信号相位，从而在必要时能够按照不同的量调整每个元件的相位。
或者，所述设备可以设置成按照相同的量调整提供给每一个天线元件的信号相位。在一个实施例中，所述设备包括用于按照相同的量调整提供给两个或两个以上元件的信号相位的装置。
若天线元件包括用以接收输入信号并把输入信号分配给每个天线元件的分离器装置，那么，所述分离器装置可以设置成基本上均匀分配地向所述天线组件中的所述天线元件中的每一个分配信号强度。适当地选择向每一个天线元件的信号强度分配，以便把瞄准线增益和侧瓣设置在适当的电平上。
天线元件可以设置成至少第一和第二子阵列，而所述设备设置成按照第一数量调整提供给所述第一子阵列中的天线元件的信号强度，并且按照第二数量调整提供给所述第二子阵列中的天线元件的信号强度。所述第一数量与所述第二数量宜在量值上相等，但在极性上相反。
为了达到本说明书的目的，提供给所述阵列中每个元件的信号相位的“各别控制”，是指(必要时)可以调整通过每一条传输线传输到相关元件的信号相位，从而允许在必要时按照不同的量调整不同天线元件的信号相位。
现将参照附图，以只是举例的方式，描述本发明，附图中：
图1说明已知的相控阵天线组件的垂直辐射方向图(VRP)；
图2是包括用于调整电仰角的装置的天线组件的简要方框图；
图3A至3C说明按照本发明的用于调整提供给天线阵列中的元件的信号相位的设备的第一形式及其操作；
图4A至4D说明构造图3A设备的可能的方法；
图5A和5B说明对图3A的设备的修改及其操作；
图6是按照本发明的设备的第二形式的简要说明；
图7表示图6设备的一部分；
图8表示对图6设备的修改；
图9表示图8设备的一部分；
图10是按照本发明的设备的第三形式的简要说明；
图11表示图10设备的一部分；
图12表示对图10设备的修改；
图13表示图12的一部分；
图14是包括按照本发明的设备的天线系统的简要说明；
图15说明本发明的设备在双极性天线组件中的应用；以及
图16是包括所述设备的双极性天线组件的剖面图。
在以下的描述中，在适用于蜂窝移动无线网的天线系统的情况下，特别是在通用移动电话系统(UTMS)的情况下描述本发明。但应理解，本发明不限于这样的用途，而是同样可以应用于其他通信系统。
图1表示传统的相控阵天线组件的垂直辐射方向图(VRP)。所述图用侧视图表示，用点1代表天线组件。
天线组件1的VRP包括主瓣或“瞄准线”2，当它从天线组件伸展时，它发散在在垂直平面上，并代表由所述天线组件辐射的波束最大辐射强度的区域。
天线组件的VRP还包括若干侧瓣4，它们代表辐射强度低得多的区域，它们在垂直平面上围绕天线组件沿着大致等角度分隔的方向从天线组件伸出。紧靠着瞄准线2的侧瓣3分别称作第一上侧瓣和第一下侧瓣。
在图2中，简要地示出包括用于调整天线电仰角的机构的天线系统的天线组件，总体以100表示。在这个示例中，天线系统100包括天线组件，表示为102，所述天线组件包括具有安装在天线杆(未示出)上的8个元件的E1至E8的阵列的相控阵天线。天线组件102的控制装置(未示出)位于天线杆基座上的基站104处。元件E1至E8排列成两个子阵列，包括元件E1至E4的上子阵列100A和包括元件E5至E8的下子阵列100B。
天线组件102包括输入端口，用112表示，所述端口通过馈线106连接到基站104中的控制装置。输入端口112提供输入载波线120，后者连接到包括一系列分离器装置S1-S7的信号分配网络，分离器设置来把信号分配到阵列中的每一个元件E1至E8。每一个分离器装置S1-S7都是传统形式，并具有单一输入端和两个输出端。
输入载波线120连接到初级分离器装置116的输入端(标为S7)。初级分离器装置116的第一输出端连接到第一输出载波线106，而初级分离器装置116的第二输出端连接到第二输出载波线110。
第一输出载波线106连接到分别包括第一、第二和第三上子阵列分离器装置116A、116B和116C的第一RF(射频)分配网络140N1。而第二输出载波线110连接到分别包括第一、第二和第三下子阵列分离器装置118A、118B和118C的第二RF(射频)分配网络140N2。
第一输出载波线106连接到第一上子阵列分离器装置116A的输入端，而第二输出载波线110连接到第一上子阵列分离器装置118A的输入端。第一上子阵列分离器装置116A的第一和第二输出端分别连接到第二和第三上子阵列分离器装置116B、116C的输入端。类似地，第一下子阵列分离器装置118A的第一和第二输出端分别连接到第二和第三下子阵列分离器装置118B、118C的输入端。
天线组件102还包括相位调整装置，采取多个机械相位调整装置150E1至150E8的形式。具体地说，第二上子阵列分离器装置116B的输出端分别通过各自的相位调整装置150E1和150E2连接到元件E1和E2。第三上子阵列分离器装置116C的输出端分别通过各自的相位调整装置150E3和150E4连接到元件E3和E4。类似地，第二下子阵列分离器装置118B的输出端分别通过各自的相位调整装置150E5和150E6连接到元件E5和E6，而第三下子阵列分离器装置118C的输出端分别通过各自的相位调整装置150E7和150E8连接到元件E7和E8。
相位调整装置150E1-150E8的功能是按照预定的量调整提供给每一个天线元件的RF信号的相位。每一个机械相位调整装置设置成调整连接到天线元件E1-E8中相应的一个的相关的传输线上的信号相位。这种相位调整是通过由介质材料构成设置在传输线下面的可动件的线性移动来实现的，而调整的量或电平，如上所述，可以改变。
每一个机械相位调整装置150E1-150E8包括基板，传输线T横过基板向天线元件延伸。在图解说明的实施例中，由天线组件的支持件602形成底板。所述装置还包括介质材料构成的总体呈平面的机件604，机件604位于支持装置602和传输线T之间。称作“楔子”的由介质材料构成的板604总体上呈矩形，具有从它的一个纵向边切割成的三角形或V形部分606。
楔子604可以沿着一般横穿传输线T的方向(箭头A所示)相对于基板602和传输线T运动。楔子604的运动借助于由诸如伺服执行器等执行器607驱动的执行臂152产生。由于它的形状的缘故，楔子604横穿传输线T的线性运动使介质材料以较多或较少的数量插入传输线T和基板602之间，从而使传输线T上的任何信号的相位移动一个取决于楔子相对于传输线的线性位置的量。
施加在传输线T上的信号的相移量由传输线T下面的楔子的位置和“楔子角度”(切入楔子的V形切口的内角)和形成楔子的介质材料的电特性设定。
为每个天线元件E1-E8设置各自的机械相位调整装置，就可以调整提供给子阵列100A、100B中每一个单个的元件的信号的相位。
在操作上，通过所述输入载波线120把施加在天线组件102上输入端口112的RF信号施加在初级分离器装置116上，首先考虑具有元件E1至E4的上子阵列100A，输入载波线120上的信号由分离器装置116分成两个信号，并输出到第一和第二输出载波线106、110。第一输出载波线106上的信号具有输入到初级分离器装置116的信号输入端一半的信号强度，提供给第一上子阵列分离器装置116A的输入端，后者再次把所述信号分成两个信号，每一个都具有输入载波线120信号强度的1/4。这两个信号中的每一个分别施加在第二和第三上子阵列分离器装置116B、116C的输入端。
第二和第三上子阵列分离器装置116B、116C再次把提供给它们各自的输入端的信号分开，把这些信号中的每一个(具有输入载波线120上的信号强度的1/8)通过各自的相位调整装置150E1至150E4提供给第一上子阵列100A中各自一个元件E1至E4。
类似地，在下子阵列100B中，第二输出载波线110上，具有输入到初级分离器装置116的信号一半的信号强度的信号被提供给第一下分离器装置118A的输入端。第一下子阵列分离器装置118A把所述信号分成两个信号，每一个都具有输入载波线120上强度的1/4。这两个信号中的每一个分别提供给第二和第三下子阵列分离器装置118B、118C。
第二和第三下子阵列分离器装置118B、118C再次对提供给它们各自的输入端的信号进行分割，并通过各自的相位调整装置150E5至150E8把这些信号中的每一个(具有输入载波线120上信号强度的1/8)提供给下子阵列100B中元件E1-E8中的各自一个。
相位调整装置150E1至150E8设置成把预定的相移施加在提供给每一个元件E1至E8的信号上。通过为天线组件中每一个元件设置独立的相位调整装置，即可准确地控制天线组件上的相位分布。这样，所述系统便允许比较准确地控制瞄准线的增益和侧瓣电平。
执行臂沿着箭头A所示的方向的移动是借助于伺服控制机构160等来实现的，所述伺服控制机构由伺服控制器162按照已知方式控制。为了控制伺服机构160伺服控制器162产生的控制信号通过控制电缆164和控制端口166提供给伺服机构。控制电缆可以具有基本上任何一个要求的长度，使伺服机构160能够从远离天线组件的位置，例如从天线杆基座的基站104或者，若有必要，从几英里外遥远的位置控制。执行臂152的线性运动使每一个相位调整装置中的楔子产生线性运动，因而，用上述方法调整提供给每一个元件的信号的相位。
应该指出，连接到下子阵列100B中元件E5到E8的相位调整装置，与连接到上子阵列100A中元件E1至E4的相反。因而，施加在提供给上子阵列中的元件E1到E4的信号的负相移引起施加在提供给下子阵列100B中的元件E5到E8的信号的正相移。
应该理解，分离器装置116A-116C、118A-118B的“系谱”安排允许把信号强度相等的信号提供给上子阵列100A的每一个元件。在这样的安排中，每一个元件将被提供信号强度大致为输入载波线120上的信号的信号强度的1/8的信号。这种配置是合适的，因为提供给天线元件的信号各自的相位调整意味着，诸如余弦平方分布等元件的成比例的信号强度分布，并非提供相对于VRP中侧瓣电平的最大瞄准线增益所必要的。
图2的天线有几个缺点。具体地说，机械相位调整装置可能不准确，提供给天线元件的信号的相位调整可能不够精确。此外，执行臂安排的复杂性和要求的移动件数目意味着所述系统容易出现可靠性问题。
图3A至3C说明用于调整提供给天线阵列中的元件的信号的相位的经过改进的设备。所述设备(标为30)准备代替图2中机械相位调整装置150E1至150E8中相应的一个。
所述设备30包括总体呈矩形的平板32形式的第一支持装置，在所述第一支持装置上印刷或用其他方法布置的第一和第二基本上平行的导电印制线34a、34b。在使用中印制线34a、34b形成连接在分离器装置和天线系统各元件之间的传输线T的一部分。但不难理解，由印制线34a、34b定义的传输线部分是不连续的。
所述设备还包括总体呈矩形的第二平板36形式的第二支持装置。第二板36具有印刷或用其他方法布置于其上的导电印制线38的U形段形式的耦合链路，并且所述第二板36布置在第一板32的上面，并与之平面平行。U形印制线38的两臂设置成位于第一和第二印制线34a、34b的上面，并且与第一和第二印制线34a、34b中相应的一个电容性耦合。此外，第二板36可以按箭头A指示的方向相对于第一板32运动。第二板36这样的相对于第一板32的运动改变了耦合印制线38伸展在印制线34a、34b上面的量，从而改变它们之间的电容性耦合。于是，移动第二板36可以改变由印制线34a、34b限定的传输线的有效长度，改变U形印制线38与它的电容性耦合。
例如，在图3b，所示第二板36基本上处于最左位置，其中由印制线34a、34b限定的传输线的有效长度基本上是最长的。通过使第二36发生相对于第一板32的移动，改变传输线T的有效长度，即可把可变的延迟量加在提供给天线元件的信号上。这样，便可以实现信号的所需的相移。
图3的设备另外包括总体呈平面的介质衬底40，它定位在第一板32上，并一般地与之平面平行，在与第一和第二印制线34a、34b两端相邻的位置上。介质衬底40最好具有高于第一和第二板32、36的介电常数。
将会明白，在第二板36的某些位置上，耦合链路38在介质衬底40上伸展。通过使第二板36相对于第一板32运动，改变在介质衬底40上伸展的耦合链路的量，即可进一步调整传输线T上信号的相位，从而使提供给相关天线元件的信号的延迟得以调整。增大介质衬底40的相对介电常数便减小传输线T上信号的速度，从而加大提供给相关天线元件的信号的延迟。因此，不难理解，介质衬底40对提供给传输线T的信号的作用类似于图2中所示机械相位调整装置150E1-150E8的楔子件所达到的作用。
图3的设备的优点是对传输线上的信号的相位调整是既通过有效伸长印制线34a、34b、38又通过使用介质衬底来实现的。结果，与现有的系统相比，可以在较大的范围内比较精密地调整传输线上信号的相位。此外，由于U型耦合印制线38的使用，即使不使用介质衬底40，第二板36通过距离d的运动，也能造成使传输线有效长度改变2d的结果。例如，第二板移动10mm导致传输线有效长度改变20mm。
图4A至4D说明图3设备的不同的实际实现方案。图4A说明所谓微条结构，如上所述，具有第一和第二板32、36。第一板32具有接地导电平面42，位于印制线34a、34b的反面上，以便用印制线形成传输线。在所述实施例中，不存在介质衬底层40，而在第一和第二板32、36之间使用介质分离片43，以促进电容性耦合并减小由印制线34a、34b和耦合链路38之间的任何断续的欧姆接触造成的来自内调制产物(IMP)的干扰。
图4B说明本设备的所谓三板版本。在这个实施例中，第二板36介于第一板32和具有接地平面48的附加板46之间。也不用介质衬底40。所述实施例提供减少所述设备造成的损失的优点，并且较好地容纳射频电磁场。
图4C说明类似于图4A的设备，但加了上述介质衬底层40。在这个实施例中，在用来支持第一板32和介质衬底层40的附加的板50上设置接地平面42。
图4D说明图4C设备的三板版本。与图4B中的情况一样，设置具有接地平面48的附加的下板46，第二板36位于附加的下板46和第一板32板中间。图4D的设备也达到减小损失和较好地容纳射频场的效果。
图5是图3设备的改型。图5A示出所述设备的顶平面图，而图5B示出底平面图。对于某些应用，可能要求增大施加在传输线T的信号上的相移或延迟的范围或数量。这可以通过在第三板32上设置第三中间印制线34c来达到。第三印制线34c是U型的并以相反的取向位于第一和第二导电印制线34a、34b之间。
在这个实施例中，第二板36有两个耦合链路或印制线，每一个耦合链路或印制线都采取各自的U型印制线38a、38b的形式，印刷或用其他方法布置于其上。各耦合链路中的第一耦合链路38a设置成与第一印制线34a和第三印制线38c的一臂电容性耦合。各耦合链路中的第二耦合链路38b设置成与第二印制线34b和第三印制线34c的另一臂电容性耦合。
不难理解，在这个实施例中，与图3的实施例相比，第二板36对第一板32的相对运动会造成传输线T的较大的有效长度变化。例如，第二板36上10mm的运动，会产生传输线有效长度40mm的改变。两个耦合链路和三个导电印制线这样的配置在下文中称作“串联”配置。
在图3至5的实施例中，所述设备用于连接到单个天线元件用的传输线。因此，诸如相控阵天线等具有多个元件的天线会具有相应数目的图3至5的设备，与图2的先有技术实施例中的情况一样，每一个元件一个设备。而这个配置肯定比先有技术优越，诸如施加的延迟精确度得到改进，它还要求每一个设备同时移动，以便实现对提供给这些元件的信号的相移。显然，这涉及若干移动件，这增大了复杂性和成本，并降低可靠性。
图6示意地表示对图3至5设备的改进，并允许所述设备用于具有多个元件的天线系统。在图6的实施例中，所述设备可以用于具有4个天线元件E1至E4的天线系统中。或者，所述设备可以考虑用来代替图2天线系统中的机械相位调整装置150E1至150E4，这些标号用在图6中指示相应的装置。
这样，图6的实施例由4个相位调整装置构成，每一个相位调整装置具有在形式和操作上类似于图3设备的导电印制线和耦合链路的配置。
在这个改进的实施例中，每个装置的第一和第二导电印制线34a、34b都印刷在或用其他方法布置在公用的第一板32上。但是，不是像图3设备中的直印制线，每个设备的第一和第二印制线34a和34b都采取弓形的形式，但仍旧平行。第一装置的第一和第二印制线34aE1、34bE1设置在第二装置印制线的径向外部的区域上的第一板32的第一半。类似地，第四装置的第一和第二印制线34aE4、34bE4设置在第三装置印制线径向外部区域上的第一板32的第二半。
第一印制线T1从第一板32的第一“输入”边延伸到第一分离器装置116A，后者可以例如对应于图2的分离器装置116A。第二和第三印制线T2、T3从第一分离器装置116A的输出端伸展到各自第二和第三分离器装置116B、116C的输入端，后者可以例如分别对应于图2的分离器装置116B、116C。
印制线T4从分离器装置的第一输出端伸展，在邻近它们自由端的区域形成用于第一装置的第二弓形印制线34bE1，后者形成用于第一天线元件E1的传输线的一部分。用于第一装置的第一弓形印制线34aE1配置在第二印制线34bE1的径向外部并且平行伸展，再次形成用于第一天线元件E1的传输线T的一部分。
印制线34aE2、34bE2的类似配置(印制线34bE2从第二分离器装置116B的第二输出端伸出)是为连接到天线元件E2用的第二装置而设置的，所述配置设置在第一装置径向内侧，而印制线34aE2、34bE2在长度上略短于第一装置的印制线。
第三分离器装置116C的第一和第二输出端分别连接到第三和第四装置，第三装置与第三天线元件E3相关并与之连接，第四装置与第四天线元件E4相关并与之连接。可以看出，第三和第四装置的印制线和耦合链路的配置布置在第一板32上，相对于第一和第二装置的印制线和耦合链路、基本上对称于伸展在第一板的输入边的中点和第一板的相对的输出边的中点之间的对称线S。
所述设备还包括第二板36，以轮廓线示于图6，但最清楚地示于图7中，在点C用枢轴或可旋转地连接到第一板32，并因而可绕通过点C的所述板32的轴旋转。第二板36在其上印刷或用其他方法布置了4个耦合链路，每一个耦合链路分别采取U型印制线38E1-38E4的形式，具有呈弓形并总体平行的臂。第二耦合链路38E2布置在第一耦合链路38E1的径向内侧，对应于第一板32上第一和第二装置的印制线配置的相对位置。第三和第四耦合链路38E3、38E4相对于第一和第二耦合链路38E1、38E2，基本上对称于对称线S。
在使用中，第二板36相对于第一板32绕枢轴点C的角向运动或旋转使第二板36上的耦合链路38E1-38E4在或大或小的程度上与第一板32上相应装置的印制线34a、34b以参照图3描述的方式发生电容性耦合。第二板36相对于第一板32的角向运动或其数量决定了每一个耦合链路在相应的导电印制线上伸展多远，因而决定了施加在通向每一个天线元件的传输线上信号的相位调整或延迟的量。这样，提供给通向所有4个天线元件的传输线的信号相位可以通过单块板36的运动调整。
可以明白，第二板36例如就所述图而论顺时钟方向的旋转会增大连接到第一和第二天线元件E1、E2的传输线的有效长度，但将会减小连接到元件E3、E4的传输线的有效长度。
另外，由于第一装置中导电印制线34aE1、34bE1的初始长度较大，通向第一元件E1的传输线的有效长度的增大会大于通向第二元件E2的传输线的有效长度的增大。类似地，通向第四元件E4的传输线的有效长度的减小会大于通向第三元件E3的传输线的有效长度的减小。
事实上，为了使天线倾斜而同时保持瞄准线的最大增益，并最大限度地抑制侧瓣，对于大部分或所有倾斜范围，最好保持一个线性的相前。因此，在推荐的实施例中，通过相应的相位调整装置向元件E1至E4施加T、2T、3T和4T的延迟或其相对等效量。事实上，保证每个装置的印制线34a、34b的径向位置等量相隔，即可做到这一点。
在图6设备的一个变型中(其一部分示于图8)，正如参照图5所描述的，为了增大施加在各自传输线上信号的延迟的范围，每个相位调整装置具有耦合链路和印制线的串联配置。在某些应用中，最好具有用于某些装置的串联配置和用于另一些装置的单一配置。图9图解说明第二板36上用于单个装置的串联配置的耦合链路38a、38b的布局。
在图10所示的替代的实施例中，包括分离器116A、116B、116C的信号分配网络设置在第二板36上，而天线端口或分离器装置116(取决于天线中的元件个数)和第一分离器装置116A之间的连接是通过单一导电输入印制线Ti和类似于第一板32上相位调整装置中使用的电容性链接实现的。
图11比较清楚地说明第二板36上导电印制线和分离器装置的布置。在这个实施例中，每一个相位调整装置都仅仅具有一个设置在第一板32上的导电印制线段，而不是像前述实施例中那样具有两个平行的印制线。类似地，每个装置的导电链路只包括单一的弓形印制线段，而不是传输线的U形段。
在使用中，耦合链路利用与以前描述的相同的方法与各自的印制线电容性耦合，但在这个实施例中，第二板36的10mm运动将会产生传输线10mm长度的有效增大。
图12图解说明图10和11的设备的变型，其中每一个相位调整装置包括印制线和耦合链路的配置，其传输线长度的有效增大等于第二板36移动距离的3倍。图13说明图12实施例用的第二板36上导电印制线38aE1、38bE1的配置，所述印制线形成单个装置的耦合链路。
现参见图14，它说明包括若干按照本发明的设备的相控阵天线系统。在图14所示的实施例中，每一个设备152E1至152E4都用来控制给两个分开的天线元件提供的信号的相位。于是，每一个设备都可以广泛地类似于图6至9所示的设备，但只有2个而不是4个用于相位调整装置的导电印制线和耦合链路。本专业的技术人员会充分理解图14的设备与图6至9的设备的相似之处和差异。
在图14中，相位调整装置152E1至152E4(呈一般圆盘形)中的第二板的角向运动可以通过执行臂152的线性运动达到。执行臂152以具有枢轴和偏心的方式安装在每一个设备的每一个圆盘上。和图2的实施例一样，执行臂152在箭头A所示方向上的运动是借助于伺服电动机160等实现的。伺服电动机160又由伺服控制器162产生的并经由控制电缆164和控制端口166提供给伺服电动机160的信号控制。伺服控制器162可以远离天线组件102，例如，在基站104。基站104可以位于天线杆的基座上或者如果合适，可以位于离天线杆几英里的地方。
不难明白，这样的线性运动将会引起施加在每一个圆盘上的相同的角向运动。为了维持瞄准线的最大增益并控制侧瓣电平，可能必须使每个天线元件E1-E8对于给定范围的执行臂162的运动，具有不同的相移。在这种情况下，为了给出执行臂162的线性运动和施加在元件上的信号的相移之间要求的关系，每个设备的导电印制线和耦合链路的配置可以略有不同(例如，和图10一样)。
图15和16表示另一个实施例，并表示本发明的系统如何和双极性天线组件配合使用。双极性天线组件的使用是众所周知的并在远程通信系统中是普通的。图15是4元件正视图，具有交叉的偶极子的双极性天线702安装在反射背面704的上面。第二板36的旋转轴用虚线X表示。
在这个实施例中，天线组件702包括一组交叉的偶极子元件，一个元件阵列E1+至E4+具有相对于垂直线的+45°角，而另一个元件阵列E1-至E4-具有相对于垂直线的-45°角。每个极性的阵列与来自基站104的、通过准备提供给每一个阵列的单独的输入端口112(和图2中的情况一样)加到各个信号分配网络上的信号在电气上有效地分开。
因此，每一个阵列配备有诸如上面参照图6至13描述的相应的单独的相位调整装置。但是，和上面参照图2和14描述的一样，两个设备都用公用的伺服控制电动机调整，使得两个阵列具有相同的电仰角。
图15以平面图表示天线组件。在正极性的阵列中，连接到天线元件E1+至E4+的第一相位调整装置包括参照图3和4A说明和描述的配置。具体地说，所述设备包括：第一板32+，它具有印刷或用其他方法布置于其上的导电印制线34a+，34b+；介质衬底40+，它布置在第一板32+邻近一端的位置；以及第二板36+，它具有印刷或用其他方法布置于其上的U形耦合链路38+。
连接到负极性阵列中天线元件E1-至E4-的第二相位调整装置包括与第一相位调整装置类似的配置，第二相位调整装置与第一相位调整装置借助于每个面上具有接地平面的附加板146背对背地安装。附加板146和接地平面的目的已参照图4A至4D作了描述。
第二板36+、36-通过配合到伺服机构的公用轴连接在一起并可以通过所述公用轴联合移动，如上面参照图2至13描述的那样。第二板的运动可以是角向的(和图6至12的实施例一样)或者是线性的(和图3至5的实施例一样)。将会明白，图3至5的实施例可以扩展，以便包括两个或两个以上相位调整装置，使得单个公用的第二板36的线性运动可以调整两条或两条以上传输线的相位。
不难明白，本发明在相控阵天线中为各个元件提供单独的相位移动。对提供给各个天线元件的信号的相位控制使得可以在最大的瞄准线增益和较低的侧瓣电平的情况下产生最优VRP或波束方向图。与现有系统相比，可以改善这种天线系统的性能。
具体地说，与现有系统相比，本发明提供若干优点。例如，使用线性或角向可动板，使得能够把正确的延迟量加到提供给天线元件的信号上，从而在天线仰角范围内获得最大瞄准线增益和对侧瓣的最大抑制。此外，仅仅通过单个天线元件的移动即可实现这种正确的相移，因而降低了成本、重量并改进了可靠性。
另外，本发明可以根据需要利用诸如微条或三板结构等若干不同的结构实现。最后，一个或多个U形耦合链路连同介质衬底40的利用，对于第二板相对较小的运动大大增大了传输线的有效长度。介质衬底的使用完全是任选的，以便提供额外的延迟效果，并且若有必要，可以与上述任何实施例一起使用。
不难明白，本发明可以应用在组合成任意数目的子阵列的具有任何数目(至少两个)天线元件的组件中，并包括具有若干(n)个天线元件而每个子阵列一个天线元件(亦即n子阵列)的组件。也不难明白，上述系统是作为用于传输信号的系统描述的，但附加或作为替代方案，可以作为接收系统工作。
在整个说明书中，应该把对“电仰角”的引用看作是调整从天线组件发射或接收的辐射方向图，而不必在物理上移动天线屏蔽器或天线元件，代之以通过调整提供给一个或多个天线元件的信号的相位来实现。但将会明白，正如图14所示，电仰角可以通过可以既用机械调整元件又用电调整元件的配置来调整。另外，对于图14的配置，不难明白，通过机械相位调整装置150E1-10E2或152E1-152E2实现的电仰角的调整包括伺服控制器162的形式的电控制装置，因此组合的系统可以称作“用于调整天线系统电仰角的包括由电装置控制的机械调整装置的系统”。
不难理解，尽管在本文中就发送的VRP描述了本发明的天线系统，但是在实际上，所述系统最好适合于在接收方式下操作，因而天线元件设置成接收信号，而且根据上面的描述，对于本专业的技术人员这样的修改是显而易见的。

Claims (24)

1.一种设备(30)，用于调整提供给具有多个天线元件的天线每个元件(E1-En)的信号的相位，每个元件具有与之相应的各自的传输线(34a，34b)，所述设备包括：
第一支持装置(32)，具有多个布置在其上的所述传输线(34a，34b)；
第二支持装置(36)，可相对于所述第一支持装置(32)移动，具有多个布置在其上的耦合链路(38)；
其中，每个所述耦合链路(38)包括设置成与至少一个所述传输线(34a，34b)电容性耦合的传输线段，使得所述第二支持装置(36)相对于所述第一支持装置(32)的运动改变所述传输线(34a，34b)中一个或多个的有效长度，从而可以调整提供给一个或多个元件(E1-En)的所述信号相位。
2.如权利要求1所述的设备，其特征在于：所述第一和第二支持装置各自包括相应的板件(32，36)，所述板件(32，36)上分别印刷或用其他方法布置所述传输线或耦合链路。
3.如权利要求2所述的设备，其特征在于：所述第二板件(36)设置成可以基本上线性地相对于所述第一板件(32)运动。
4.如权利要求2所述的设备，其特征在于：所述第二板件(36)设置成可以相对于所述第一板件(32)旋转或在角向上运动。
5.如权利要求2至4中任何一个所述的设备，其特征在于：所述第二板件(36)相对于第一板件(32)的运动改变了所述耦合链路(38)和所述传输线(34a，34b)之间的电容性耦合，从而改变所述传输线的有效长度。
6.如权利要求2至5中任何一个所述的设备，其特征在于还包括介质衬底(40)，所述介质衬底布置在所述第一板件(32)上，使得所述第二板件(36)相对于所述第一板件(32)的运动使一个或多个所述耦合链路(38)的较多或较少的部分在所述介质衬底(40)上面伸展，从而进一步改变所述传输线(34a，34b)上信号的相位。
7.如权利要求6所述的设备，其特征在于：所述介质衬底(40)布置在所述第一板件(32)上邻近所述传输线(34a，34b)末端的位置。
8.如权利要求6或如权利要求7所述的设备，其特征在于包括接地平面(42)，所述接地平面布置在与所述第一板件(32)相邻的位置。
9.如权利要求8所述的设备，其特征在于：所述接地平面(42)设置在所述携带介质衬底(40)和所述第一板件(32)的接地平面板件(50)上。
10.如权利要求6至9中任何一个所述的设备，其特征在于包括具有第二接地平面(48)的第二接地平面板件(46)，其中所述第二板件(36)布置在所述第一板件(32)和所述第二接地平面板件(46)之间。
11.如权利要求2至5中任何一个所述的设备，其特征在于：所述传输线(34a，34b)布置在所述第一板件(32)的第一表面上，而所述导电接地平面(42)布置在所述第一板件(32)的相反的第二表面上。
12.如权利要求2至11中任何一个所述的设备，其特征在于：在所述第一和第二板件(32，36)之间设置介质隔离器(43)，以促进它们之间的电容性耦合。
13.如权利要求1至12中任何一个所述的设备，其特征在于：每一个耦合链路包括一个或多个U形传输线(38a，38b)段。
14.如权利要求1至13中任何一个所述的设备，其特征在于：设置在所述第一支持装置(32)上的每一根传输线(34a，34b)基本上是直线形的。
15.如权利要求1至13中任何一个所述的设备，其特征在于：设置在所述第一支持装置(32)上的每一根传输线(34a，34b)是弓形的。
16.如权利要求15所述的设备，其特征在于：与所述元件中的第一个(E1)相联系的传输线(34aE1，34bE1)配置在与所述元件中的第二个(E2)相联系的传输线(34aE2，34bE2)的径向外部。
17.如权利要求16所述的设备，其特征在于：与所述元件中的第一个(E1)相联系的耦合链路(38E1)配置在与所述元件中的第二个(E2)相联系的耦合链路(38E2)的径向外部。
18.如权利要求1至17中任何一个所述的设备，其特征在于包括与所述元件(E1-En)中每一个相应的耦合链路和传输线的一系列配置。
19.如权利要求1至17中任何一个所述的设备，其特征在于：所述第一支持装置(32)的单根传输线与所述元件(E1-En)中的每一个相关联。
20.如权利要求1至19中任何一个所述的设备，其特征在于：所述第一和第二支持装置(32，36)的所述传输线和耦合链路分别设置成使所述第二支持装置(36)相对于所述第一支持装置(32)的运动允许按照不同于提供给至少一个其他元件的信号的相位的量调整提供给每一个元件的信号的相位。
21.如权利要求1至20中任何一个所述的设备，其特征在于包括分离器装置(116A，116B，116C)，用以把通过输入传输线(T1)提供的信号分配给与两个或两个以上元件相联系的传输线(34aE1-34aE4，34bE1-34bE4)。
22.如权利要求2至21中任何一个所述的设备，其特征在于还包括与所述第二板件(36)配合的执行装置(160，162，164)，用以实现所述第二板件(36)相对于所述第一板件(32)的运动。
23.如权利要求22所述的设备，其特征在于：所述执行装置包括由伺服控制装置(162)驱动的执行臂(164)。
24.一种天线系统，它包括多个天线元件(E1-En)和如权利要求1至23中任何一个所述的设备，用以调整提供给所述天线系统的每个元件的信号的相位。
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