CN1868089A - 垂直电下倾天线 - Google Patents

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詹姆斯·C.·卡森
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Abstract

一种双极化无线基站天线,其使用波束控制电路实现垂直电下倾和旁瓣减小,所述波束控制电路包括可变功率分配器和多波束的波束形成网络。所述可变功率分配器包括单个可调节的控制单元,用于将输入电压信号分为一对互补振幅电压驱动信号,其通过所述可变功率分配器展示出匹配的相位和恒定的相位延迟。所述波束形成网络被配置为安装于主面板的、双面的、边缘相连的微带模块,其支持以实现旁瓣减小的方式被组织为子阵列的垂直列中的天线单元。将波束控制网络连接于天线单元的配电网络通过借助传输媒介轨迹长度调节所实现的协同移相而实现波束倾斜偏置和旁瓣减小。

Description

垂直电下倾天线
相关申请的引用
本发明引入下述共同拥有的公开文献作为参考:美国专利申请10/290,838,标题为“Variable Power Divider”,申请日2002年11月8日;美国专利申请10/226,641,标题为“Microstrip Phase Shifter”,申请日2002年8月23日;以及美国专利申请10/623,382,标题为“Double-Sided,Edge-Mounted Stripline Signal Processing ModulesAnd Modular Network”,申请日2003年7月18日。
技术领域
本发明涉及无线基站天线系统,并更具体地涉及使用波束(beam)控制电路的天线,以实现垂直电下倾(downtilt)和旁瓣减小,所述波束控制电路包括可变功率分配器和多波束的波束形成网络。可以是双极化天线的所述天线还可包括配电网络,其实现波束倾斜偏置(tilt bias)和进一步的旁瓣减小。
背景技术
无线基站天线的市场是高价的和在性能上极具竞争性的。出于此原因,开发出具有适合用作无线基站天线并展示出理想的初始和使用寿命的成本特性的天线是有利的。同时,理想的是,配备具有大范围的操作灵活性的天线,以使得标准的天线设计可被用于大范围的潜在天线场所和特征偏好。满足这些经常产生冲突的设计目的是对于无线基站天线的设计者的持续挑战。
具体地,可调节的下倾和旁瓣最小化是无线基站天线的理想特性。用于实现可调节下倾的传统方法包括依靠手动或机动化的支架调节的机械下倾系统。可选地,传统的电下倾系统典型地依靠多波束控制移相器。这些技术实现起来相对昂贵。此外,传统上已通过相对复杂的天线单元间隔、配电和相位控制方案实现了旁瓣最小化。这些技术实现起来也相对昂贵。
因此,存在对用于实现无线基站天线的波束倾斜和旁瓣最小化的成本上更加高效的系统的持续需要。
发明内容
本发明满足上述的对于天线的需要,所述天线适合用作实现垂直电下倾和旁瓣最小化的无线基站天线。所述天线包括多单元阵列和波束控制电路,所述波束控制电路包括可变功率分配器和多波束的波束形成网络。所述天线还包括配电网络,其将波束控制电路的输出连接于天线阵列的单个单元。可变功率分配器可使用单个可调节控制单元,以在电压振幅分配范围上将输入电压信号分为一对互补振幅电压驱动信号。此外,电压驱动信号可通过可变功率分配器而在电压振幅分配范围上展示出匹配的相位和恒定的相位延迟。此配置产生了用于控制电倾斜的电压驱动信号,而无需多个移相器或机械支架调节系统。
所述电压驱动信号被用作为多波束的波束形成网络的输入信号,所述多波束的波束形成网络产生多个波束驱动信号,每个波束驱动信号典型地包括关联于每个电压驱动信号的波束分量。每个波束驱动信号接着驱动包括一个或多个天线单元的子阵列。结果,从天线发射的波束是合成波束,其展示出响应于电压振幅分配范围内的电压振幅分配的改变而在倾斜范围内变化的方向倾斜。此类合成波束响应于对多分量波束的加权的改变而在方向上变化,相对于通过具有相同数量的可调节控制单元的传统的相位控制所控制的单个分量波束,所述合成波束展示出较低的旁瓣。
天线包括天线单元阵列,其典型地在垂直列中被分隔开,并被组织为一个或多个位于外部子阵列之间的内部子阵列。此外,出于减小旁瓣发射的目的,外部子阵列中的天线单元的数量可以大于内部子阵列中的天线单元的数量。出于减小旁瓣发射的目的,配电网络还可被配置成实现对被发送到一个或多个子阵列中的单元的波束驱动信号的协同(coordinated)移相,以致使对由子阵列的天线单元发射的信号的相位匹配进行所期望的模糊(blurring)。
此外,波束形成网络可被实现为安装于主面板(panel)的双面的、边缘相连的模块,其承载可变功率分配器、配电网络和天线单元。此配置产生与模块化的、双面的、边缘相连的构造技术相关的多个成本和灵活性的优点。上述的多种特征可被包括于不同组合和排列中,以向天线提供适用于一定范围的应用和特征偏好的特征和优点。
一般而言,本发明可被实现为一种包括限定了视轴(boresight)方向的天线单元阵列的天线系统。所述天线可包括可变功率分配器,其使用单个可调节控制单元在电压振幅分配范围上将输入电压信号分为一对互补振幅电压驱动信号。所述电压驱动信号可通过可变功率分配器在电压振幅分配范围上展示出匹配的相位和恒定的相位延迟,所述电压驱动信号馈送到波束形成网络,所述波束形成网络产生典型地包括与每个电压驱动信号有关的波束分量的多个波束驱动信号。配电网络将每个波束驱动信号发送到一个或多个相关联的天线单元,以使波束驱动信号驱动天线单元发射波束,所述波束展示出响应于电压振幅分配的改变而在倾斜范围内变化的相对于视轴方向的方向倾斜。
所述天线还可包括多个额外特征,诸如用于调节电压振幅分配并从而调节波束的方向倾斜的场可调节倾斜方向致动器(actuator)。所述天线还可包括配电网络,其实现被发送到天线单元的波束驱动信号的协同移相,以致使有倾斜范围的所期望的倾斜偏置。所述天线还可包括用于调节倾斜偏置的场可调节倾斜偏置致动器,以及用于控制所述场可调节倾斜方向致动器和/或所述场可调节倾斜偏置致动器的远程控制器。
典型地,天线单元被组织为一个或多个位于外部子阵列之间的内部子阵列,并且每个波束驱动信号驱动相关联的天线子阵列。出于减小旁瓣发射的目的,在外部子阵列中的天线单元的数量可以大于在内部子阵列中的天线单元的数量。在特定配置中,外部子阵列的数量可以是二,内部子阵列的数量可以是二,在每个外部子阵列中的天线单元的数量可以是四,而在每个内部子阵列中的天线单元的数量可以是二。在另一特定配置中,外部子阵列的数量可以是二,内部子阵列的数量可以是二,在每个外部子阵列中的天线单元的数量可以是五,而在每个内部子阵列中的天线单元的数量可以是三。
在又一特定配置中,出于减小旁瓣发射的目的,配电网络实现波束驱动信号的协同移相,所述波束驱动信号被发送到一个或多个子阵列的单元,以致使对和由所述子阵列发射的信号相匹配的相位进行期望的模糊。在此可选方案中,外部子阵列的数量可以是二,内部子阵列的数量可以是二,在每个外部子阵列中的天线单元的数量可以是四,而在每个内部子阵列中的天线单元的数量可以是四。可选地,在每个外部子阵列中的天线单元的数量可以是三,而在每个内部子阵列中的天线单元的数量可以是三。
典型地,波束形成网络被实现为二乘四的正交波束形成网络或者四乘四的Butler矩阵。此外,每个天线单元可以是双极化天线单元,而天线系统对于每一极化可包括类似的可变功率分配器、波束形成网络以及配电网络。在此情形中,场可调节倾斜方向致动器可以互相机械地链接,以便用协同方式调节对于两个极性的波束倾斜。此外,配电网络可实现波束驱动信号的协同移相,所述波束驱动信号被发送到子阵列以对于每一极化产生倾斜范围的期望的倾斜偏置。在此情形中,所述天线系统还可包括用于以协同方式调节两个极化的倾斜偏置的场可调节倾斜偏置致动器。
所述天线典型地包括限定了基本上垂直于视轴方向的纵向轴的基本上平的面板。此外,所述面板支持具有以基本上垂直的分布的间隔配置的天线单元的阵列,并且所述阵列被分为一个或多个垂直位于外部子阵列之间的内部子阵列。所述波束形成网络还可被配置为安装于主面板的、双面的、边缘相连的模块。
可组合前述设计部件,以创建具有适用于一定范围的无线基站应用和特征偏好的不同特征的多个不同的垂直电下倾天线。应该了解,上述特征可以用适用于特定应用的不同组合和排列来实现。即,本发明准备提供多个天线特征,其可在按照需要的基础上被混合并进行匹配,以提供对于大范围的应用和特征偏好来说在成本上高效的可选方案。因此,本发明并不限于任何特定的特征组合。
考虑到前述内容,将会理解,本发明避免了用于实现天线下倾和旁瓣减小的现有方法的缺点。通过以下对实施例的详细描述和附图及权利要求,用于实现天线下倾和旁瓣减小、并从而实现上述优点的特定技术和结构将变得明显。
附图说明
图1是被部署为无线基站天线的远程控制的垂直电下倾天线的框图;
图2是例示了具有可调节倾斜偏置的垂直电下倾天线的图;
图3是垂直电下倾天线的功能框图;
图4是用于可变电下倾天线中的可变功率分配器的概念性例示图;
图5A是用于可变电下倾天线中的波束形成网络的电示意图;
图5B是用于波束形成网络的双面的、边缘安装的模块设计的透视端视图;
图5C是双面的、边缘安装的波束形成网络模块的第一传输媒介电路的侧视图;
图5D是双面的、边缘安装的波束形成网络模块的第二传输媒介电路的侧视图;
图6A是用于十二单元的天线阵列的配电网络的概念性示图;
图6B是用于十六单元的天线阵列的配电网络的概念性示图;
图7A是用于包括外部子阵列的十二单元的天线阵列的配电网络的概念性示图,所述外部子阵列的天线单元多于内部子阵列;
图7B是用于包括外部子阵列的十六单元的天线阵列的配电网络的概念性示图,所述外部子阵列的天线单元多于内部子阵列;
图8是垂直电下倾天线的透视分解图;
图9是用于垂直电下倾天线的主面板的前视图;
图10是附着于天线底板的一部分的波束控制电路的顶侧的透视图;
图11是附着于天线底板的一部分的波束控制电路的底侧的透视图。
具体实施方式
本发明可包括用于实现无线基站天线系统的垂直电下倾和旁瓣减小的多个天线特征。尽管这些天线系统可被明确地设计用于部署为无线基站天线,但本发明的各种特征可被用于其他应用中,诸如卫星通信系统、军事雷达、军事通信系统和其他任何波束控制应用。不过,这些应用可展示不同成本和性能考虑,其有助于不同的和潜在更复杂的波束控制和旁瓣减小的方案。此外,许多额外的天线特征可与下述的天线特征一同实现。然而,每个这种修改都可能对系统增加成本和复杂度。因此,还应该了解,下述的优选实施例当前被确信为包括了对于许多无线基站应用来说在技术上和经济上最可行的垂直电下倾天线。
具体而言,下述的特定天线实施例是具有单个垂直列的天线单元的双极化面板天线。对于此配置,波束倾斜装置影响具有向下倾斜偏置的可变波束下倾,其对于大多数无线基站应用是理想的。不过,倾斜定向可以被容易地修改为方位角或其他任何期望的倾斜平面。此外,天线单元不需要是双极化的,并且不需要被组织为单个垂直列。例如,天线单元间隔配置可以包括多个垂直列、一个或多个行、或其他任何间隔上理想的可选方案。不过,再一次地,具有单个垂直列的双极化天线单元的面板天线当前被认为是对于无线基站应用的垂直电下倾天线来说在技术上和经济上最可行的可选方案。
下述特定天线实施例还包括在可变功率分配器、波束形成网络和配电网络内实现的有利的设计特征。可以用适合于特定应用和特征偏好的各种组合和排列中提供这些设计特征。因此,本发明不应限于任何特定的特征组合,除了在权利要求中指定的之外。
现在转到附图,在附图中,相同标号指在若干附图中的相似单元,图1是被部署为无线基站天线的远程控制的垂直电下倾天线10的框图。此天线被装备来执行由天线发射的波束12的垂直电下倾。更具体地,典型地安装于杆14、塔、建筑物或其他适当的支撑结构的天线10包括支持多个天线单元的垂直面板。这些天线单元以视轴方向15发射波束12(图2中所示),当由天线单元发射的信号同相时,视轴方向是波束的自然传播方向。在图1和2所示的特定示例中,天线10安装于垂直定向的主面板,这通常会导致水平的视轴方向。这是无线基站天线的典型安装配置。
通过水平视轴方向15,典型地提供某种机制将波束12导向从水平方向向下。具有可调节的波束下倾也是期望的,以使得波束可以被指向期望的地理覆盖范围,在该范围中接收具有适当强度的波束,并区分通常超过该地理覆盖范围的区域的信号传输。天线10是可逆的(reciprocal),而在操作频带中的每个频率处,接收操作模式中的天线属性与传输模式的相同。天线10被配置实现范围θr内的可调节波束下倾,所述范围θr扩展到两个边界波束指示方向θ1和θ2之间。典型地,倾斜范围θr也从视轴方向向下偏置。例如,倾斜上边界典型地被设为水平,或恰好在水平之下,而倾斜范围θr典型地扩展大约向下五度。例如,对于具有十二个或更多辐射单元的天线阵列,从水平开始一到五度以及从水平开始二到七度的倾斜范围是典型的。不过,对倾斜偏置和倾斜范围的选取是可根据不同应用而改变的设计选择。
此外,倾斜偏置可以是固定的或可调节的。图2通过示出天线10的三个倾斜偏置角而例示了可调节倾斜偏置的可选方案。对于具有可调节倾斜偏置的天线,此参数可手动或机械地变化,并且它可被本地或远程地控制。
再次参考图1,可调节倾斜范围中的波束倾斜偏置和倾斜角可用若干不同方式进行控制。例如,一个或多个控制旋钮(knob)可位于天线10本身之上,典型地位于主面板的背面上。不过,爬上杆14来调节波束倾斜可能不太方便。因此,本地控制器16可位于适当的位置,诸如杆底部或基站收发信台18(BTS)。在此情形中,电机(诸如伺服装置或步进电机)根据来自本地控制器16的控制信号来驱动倾斜控制。所述电机典型地安装于天线10的主面板的背面,但也可以位于其他任何适当位置。此外,远程控制器20可被用于远程控制波束倾斜。例如,远程控制器20典型地通过电话线22或其他适当的通信系统连接于本地控制器16。本地和远程控制器可以是如本领域内所公知的任何适当的控制设备。
图3是包括波束控制电路的天线10的功能框图,所述波束控制电路包括可变功率分配器30和多波束的波束形成网络40。可变功率分配器30将电压信号32分为两个互补振幅电压驱动信号,其向多波束的波束形成网络40(BFN)提供输入。波束形成网络40又产生波束驱动信号42,所述波束驱动信号被配电网络60发送到多单元的天线阵列50。配电网络60将每个波束驱动信号分为适合用于发送到多单元的天线阵列50的相关联的子阵列的信号。配电网络60还包括倾斜偏置移相器44和相位模糊移相器45,其用协同方式通过传输媒介轨迹长度调节而操纵波束控制信号的相位特性,以实现波束倾斜和旁瓣减小。
可变功率分配器30接收电压信号32并将其分为两个电压驱动信号V1和V2。电压信号32典型地包含已编码的移动通信数据,并通过连接于天线10上的连接器的同轴电缆被提供,如本领域内所公知的。图4是可变功率分配器30的概念性示图,在标题为“Variable PowerDivider”、申请日为2002年11月8日的共同拥有的美国专利申请10/290,838中更详细地描述了可变功率分配器30,该专利申请在此引入作为参考。可变功率分配器30使用单个可调节控制单元34(典型地为微带弧刷臂(microstrip wiper arm))来将输入电压信号32分为电压驱动信号V1和V2,其在电压振幅分配范围上具有互补的振幅。
更具体地,V1与V2的振幅之和为振幅输入电压信号32,并当在它们之间分配功率时彼此相反地变化。具体而言,当可调节控制单元34处于图4中标为“B”的位置时,功率分配范围为:V1为100%,V2为零,而当可调节控制单元34处于图4中标为“C”的位置时,功率分配范围为:V1为零,V2为100%。此外,当可调节控制单元34在位置“B”和“C”之间移动到表示50%分配点的位置“A”时,功率分配在这两个极端之间平稳变化。
除了具有互补振幅之外,电压驱动信号V1和V2还通过可变功率分配器30展示出匹配的相位(即,它们持续具有基本上相同的相位)和基本上恒定的相位延迟。换句话说,当功率分配在功率分配的范围中变化时,电压驱动信号V1和V2相对于彼此的相位特性以及相对于输入电压信号32的相位特性保持基本上恒定。致动器36(诸如控制旋钮或电机)被用于移动可调节控制单元34,可调节控制单元34又致使对波束倾斜的调节。这在图3和4中说明,其中图3中标为“A”的波束倾斜位置对应于图4中示出的可调节控制单元34的位置“A”;图3中标为“B”的波束倾斜位置对应于图4中示出的可调节控制单元34的位置“B”;而图3中标为“C”的波束倾斜位置对应于图4中示出的可调节控制单元34的位置“C”。
再次参考图3,电压驱动信号V1和V2向多波束的波束形成网络40提供输入信号,所述多波束的波束形成网络40典型地被配置为具有通过阻抗匹配电阻分流到地端的两个输入端口的正交的二乘四波束形成网络或四乘四Butler矩阵。图5A-D例示了后一配置。在标题为“Double-Sided,Edge-Mounted Stripline Signal Processing ModulesAnd Modular Network”、申请日为2003年7月18日的共同拥有的美国专利申请10/623,382中详细描述了上述两个配置以及多个其他的信号处理模块,在此将所述专利申请引入作为参考。尽管波束形成网络40不需要被配置为双面的、通过边缘安装的模块,但此配置会带来许多优点。
应该理解,波束形成网络40的输出的数量典型地对应于天线子阵列的数量,并因此可根据特定应用的需要进行变化。尽管具有四个和八个子阵列的天线是常见的,但诸如三个、五个和六个子阵列的其他配置也是典型的。当然,任何期望的数量的子阵列和多种波束形成网络也可以接受。
当前可以相信,对于波束形成网络模块40来说,七层的模块化PC板构造工作得最好。此配置包括多层的、双面的带状线(stripline)模块,其具有第一外部地平面层、接着是绝缘层、接着是第一带状线电路层、接着是绝缘层、接着是中央地平面层、接着是绝缘层、接着是第二带状线电路层、接着是绝缘层、接着是第二外部地平面层。即,优选的板配置包括图5B中例示的结构以及附着于模块40的外侧52和54的承载外部地平面的额外绝缘覆盖层。增加承载外部地平面层的绝缘覆盖层减小了带状线传输媒介电路56A-B中的辐射损失和干扰。
此特定天线10的波束形成网络40输出四个波束驱动信号42,每个信号包括来自电压驱动信号V1和V2中的每一个的分量。每个波束驱动信号又馈送到天线阵列50的一个子阵列。配电网络60将波束形成网络40的输出端口连接于天线阵列50的天线单元。
天线阵列50包括双极化天线单元的垂直列,如图8所示。该垂直列典型地被分为子阵列,如图6A-B和7A-B所示。对子阵列的使用典型地用于无线基站天线,其被配置成由于通常所需的可变波束倾斜的范围而实现垂直电下倾。应该理解,上述技术可被用于控制任何期望的方向上的波束倾斜,并且天线阵列50可以是任何期望的配置,诸如行、多个行、多个列、三维特定安排或者其他任何期望的多单元配置。不过,还应该理解,被分为相对少量的(诸如四个)子阵列的相对少量的(诸如十二个或十六个)天线单元的单个列对于许多无线基站应用来说会致使有具有充分的垂直电下倾和旁瓣减小的在成本上高效的天线。
配电网络60典型地被配置为被刻蚀到绝缘PC板衬底上的微带传输媒介段。波束形成网络40驱动两个分量波束“B”和“C”,其通过电压功率分配而在功率上变化。即,分量波束“B”对应于电压驱动信号V1,而分量波束“C”对应于电压驱动信号V2。因此,当电压驱动信号V1接收100%功率(即,对应于图4中所示的弧刷臂位置“B”)时发射波束“B”,而当电压驱动信号V2接收100%功率(即,对应于图4中所示的弧刷臂位置“C”)时发射波束“C”。当功率在电压驱动信号V1和V2之间划分时,分量波束结合在一起,以产生位于分量波束之间的合成波束,如波束“A”所示。因此,合成波束“A”的指示方向随着电压驱动信号V1和V2之间的功率分配而在方向“B”和“C”之间变化。相对于通过使用相同数量控制设备的传统相位控制来控制的单分量波束而言,用上述方式倾斜合成波束会有利地产生更小的旁瓣。当分量波束结合一起形成合成波束时,其旁瓣部分地相互抵消。当使用传统的移相方案时,典型地,使用三个控制设备(即,该数量比子阵列数量少一个)来实现将不同的且可变的信号驱动到例如四个子阵列。因此,出于使波束下倾的目的,此处定义的方法有利地减小将不同的且可变的信号驱动到阵列天线的子阵列所需的控制设备的数量。
考虑到前述内容,应该理解,在进一步产生旁瓣减小时,增加天线子阵列的数量和增加天线单元和/或子阵列之间的间隔一般而言是有效的。不过,关联于这些设计改变的成本必须与将获得的额外收益进行权衡。还应该理解,如本说明书中所讲授的那样,相对于应用于单分量波束的导致较大天线阵列的传统方法,诸如增加天线单元间隔和部署天线单元的多个列,提供发射合成波束的相对小的天线阵列一般而言是在成本上更高效的实现旁瓣减小的方法。还应该理解,使用一个控制设备来提供跨大致等于天线的一半功率波束范围的下倾范围在简单性和成本上是有利的。
仍然参考图3,将波束形成网络40的输出连接于天线单元50的配电网络60的微带传输媒介轨迹段的长度在规定上被选择为使得当它们到达天线单元时导致同相的信号,所述天线单元产生指向天线视轴方向的波束。为将波束方向从视轴方向进行偏移,倾斜偏置移相器44被包括在用于波束驱动信号42的传输媒介轨迹中。固定相位的倾斜偏置移相器可以通过轨迹长度调节来实现,以实现期望的固定波束倾斜偏置。额外地或可选地,可变移相器可被用来提供可变倾斜偏置,如图2所示。
公共致动器46可被用来用协同方式驱动可调节倾斜偏置移相器44。例如,有齿机架可驱动公共小齿轮,所述公共小齿轮又驱动长度可调U型波导带(trombone)型或弧刷型微带的类似扩展臂或其他适当的移相器。致动器可以是手动的(诸如旋钮)或者是机动化的,并可被本地或远程地控制,如图1所示。
此外,一个或多个子阵列可包括一个或多个天线单元移相器45,以轻微地变化被发送到子阵列单元的相位信号。即,各移相器典型地位于馈送给相关联的天线单元的传输媒介轨迹内。出于减小旁瓣发射的目的,这些移相器被设计用于使对相关联子阵列的天线单元所发射的信号的相位匹配进行轻微地失配或“模糊”。具体而言,出于进一步减小旁瓣发射的目的,相对于内部子阵列所发射的信号,对外部子阵列所发射的信号进行相位匹配可以严格地变得更加模糊一点。
典型地,通过传输段长度调节来实现天线单元移相器45。不过,可使用其他类型的移相器。具体而言,通过传输段长度调节来实现的移相器强制实行固定的移相。可选地,可使用可被本地或远程地进行控制的可调节天线单元移相器。不过,成本考虑可能支持通过固定长度传输段调节来实现天线单元移相器45。图6A是馈送给天线阵列50的配电网络60的概念性示图。此特定实施例包括一个有十二个天线单元的垂直列,所述十二个天线单元被组织为两个外部子阵列62A-B和两个内部子阵列62A-B,每个所述子阵列包括三个天线单元。每个子阵列由相关联的一个波束驱动信号42馈给。天线包括可调节倾斜偏置移相器44和固定相位模糊移相器45,如之前参考图3所描述的。图6B是类似的十六单元的天线阵列设计的概念性示图,所述十六单元的天线阵列设计包括两个外部子阵列68A-B和两个内部子阵列69A-B,每个所述子阵列包括四个天线辐射单元。图6A-B中所示的十二和十六单元设计被确信适合用作无线基站天线。
图7A是用于十二单元的天线阵列的可选设计,所述十二单元的天线阵列包括两个外部子阵列72A-B和两个内部子阵列74A-B,每个外部子阵列包括四个天线单元,每个内部子阵列包括三个天线单元。具有比内部子阵列更多个天线单元的外部子阵列减小了到外部子阵列72A-B的单个单元的相对功率输送。这具有减小天线的旁瓣发射的效果。图7B是用于十六单元的天线阵列的类似的可选天线设计,所述十六单元的天线阵列包括两个外部子阵列76A-B和两个内部子阵列78A-B,每个外部子阵列包括五个天线单元,每个内部子阵列包括三个天线单元。再有,图7A-B中所示的十二和十六单元设计被确信适合用作无线基站天线。
图8-11是图6A中所示的包括十二个双极化天线单元82的垂直电下倾天线80的特定商用实施例的计算机辅助设计(CAD)的按一定比例的示图。此天线被设计用于1.92GHz的操作载波频率(其是已许可的美国个人通信服务(PCS)无线波段的中心频率),而天线单元被放置为相隔0.7自由空间波长,其大致是4.6英寸。此天线的导电底板84是矩形的,尺寸为56英寸长乘8英寸宽[大约142cm乘20cm]。十六单元的天线相应地更长,72英寸长乘8英寸宽[大约183cm乘20cm],以适应具有相同间隔的四个额外天线单元。天线罩86装配于底板上并连接于底板。
天线80包括两个安装支架88A-B、两个同轴电缆天线接口连接器90A-B以及连接于底板84的背面的致动器旋钮部件92。同轴电缆连接器90A-B接收提供两个输入电压信号32(图3所示)的同轴电缆,每个输入电压信号用于双极化天线的每一极化。主面板绝缘体96的下面上的导电地平面与非导电配件94一起连接于底板84的前面。主面板印刷电路(PC)板的导电地平面电容性地耦合于底板84,用于跨连接处的RF信号流。主面板96是用包锡的铜轨迹蚀刻的绝缘PC板,所述包锡的铜轨迹形成将来自同轴电缆连接器90A-B的电压信号传送到天线单元82的传输媒介段。更具体地,传输媒介段形成两个实际上相同的波束控制和配电电路98A-B,其中一个用于一个极化。
主面板96的绝缘材料可以是PTFE Teflon,其是充满玻璃纤维的层压板,具有等于2.2(εr=2.2)的介电常数。此材料可被用于构建PC板,所述PC板将展示出用于微带传输媒介段的有效介电常数1.85(εreff=1.85),所述微带传输媒介段一侧接触PC板,另一侧接触空气。对于此类PC板电路,波导中的波长(λg)(即,在布置于PC板上的微带传输媒介中传播的波长,所述微带传输媒介段一侧接触绝缘衬底,另一侧接触空气)大约为4.52英寸[11.48cm]。
参考图3和4以及图8,两个可变功率分配器102A-B(每个用于一个极化-图3中的单元30)以及两个配电网络104A-B(每个用于一个极化-图3中的单元60)位于主面板96上,但是,两个波束形成网络106A-B(每个用于一个极化-图3中的单元40)被实现为焊接于主面板96的、双面的、通过边缘安装的模块。两个弧刷臂108A-B(每个用于一个极化-图4中的单元34)枢轴地连接于主面板96的可变功率分配器区域。两个弧刷臂104A-B被构造于具有类似于被用于构建主面板(但没有地平面)的材料的蚀刻铜轨迹的小绝缘PC板之上,并通过在弧刷臂地后部中构造的接合(dove-tail)齿轮而机械地彼此耦合。这允许两个弧刷臂被单个致动器旋钮92(图3中的单元36)用协同方式进行移动。在机动化实施例中,用安装于底板84背面的小电机和机械传动(诸如伺服或步进电机)替换致动器旋钮部件92。电机可被装入适当的外壳中,并典型地伴随于关联于电功率和电机控制的电子PC板部件。
此外,对于包括可变倾斜偏置的实施例,具有分开的电机的机架和齿轮驱动系统典型地连接于底板84的背面。如前所述,倾斜偏置移相器可被实现为齿轮驱动的、长度可调U型波导节型或弧刷型的移相器,其被分布于沿着主面板96的两行(每行用于一个极化)。此外,由单个旋钮或电机驱动的齿轮所移动的单个有齿机架典型地可被用来以协同方式转动所有倾斜偏置移相器,使得用于两个极化的所有天线单元以协同方式进行倾斜偏置。
图9是主面板96的前视图。标出一个天线单元82用于参考。在此视图中,可变功率分配器102A-B和配电网络104A-B被示出得稍微清晰。在主面板96的中心示出弧刷臂108A-B,但未被标出,以避免遮住该图。在此视图中,难以看到波束形成模块106A-B,因为它们被边缘安装于主面板96。
图10带有波束控制电路的天线部分的顶侧的透视图,其包括可变功率分配器102A-B和波束形成模块106A-B。此例示图提供了波束形成模块106A-B和弧刷臂108A-B的较好视图。图11是相同的天线部分的底侧的透视图,其示出了电缆连接器90A-B和控制致动器92。
尽管此特定天线未包括可变倾斜偏置特征,但它被配置成实现大约4.5度的下倾偏置,其中倾斜范围是从两度到七度。这通过使用中心枢轴方法而对传输媒介轨迹支线到子阵列的天线单元的长度进行变化而实现。特别地,从标称的同相长度进行的轨迹长度调节可以就导波中的波长λg(在此特定实施例中为大约4.52英寸[11.48cm])而被表示如下:
第一(顶部)子阵列轨迹长度调节=108.337度;
第二子阵列轨迹长度调节=36.112度;
第三子阵列轨迹长度调节=-36.112度;以及
第四(底部)子阵列轨迹长度调节=-108.337度。
此外,此特定天线被配置成实现相位模糊,如下文参考图3所描述的那样:
第一(顶部)子阵列、第一(顶部)单元轨迹长度调节=30度
第一子阵列、第二单元轨迹长度调节=0度
第一子阵列、第三单元轨迹长度调节=-30度
第二子阵列、第一单元轨迹长度调节=15度
第二子阵列、第二单元轨迹长度调节=0度
第二子阵列、第三单元轨迹长度调节=-15度
第三子阵列、第一单元轨迹长度调节=15度
第三子阵列、第二单元轨迹长度调节=0度
第三子阵列、第三单元轨迹长度调节=-15度
第四(底部)子阵列、第一单元轨迹长度调节=30度
第四子阵列、第二单元轨迹长度调节=0度
第四子阵列、第三单元轨迹长度调节=-30度
此天线的可选倾斜偏置和单元移相如下:
第一(顶部)子阵列轨迹长度调节=101.25度;
第二子阵列轨迹长度调节=33.75度;
第三子阵列轨迹长度调节=-33.75度;以及
第四子阵列轨迹长度调节=-101.25度。
第一(顶部)子阵列、第一(顶部)单元轨迹长度调节=33.75度
第一子阵列、第二单元轨迹长度调节=0度
第一子阵列、第三(底部)单元轨迹长度调节=-33.75度
第二子阵列、第一单元轨迹长度调节=16.875度
第二子阵列、第二单元轨迹长度调节=0度
第二子阵列、第三单元轨迹长度调节=-16.875度
第三子阵列、第一单元轨迹长度调节=16.875度
第三子阵列、第二单元轨迹长度调节=0度
第三子阵列、第三单元轨迹长度调节=-16.875度
第四子阵列、第一单元轨迹长度调节=33.75度
第四子阵列、第二单元轨迹长度调节=0度
第四子阵列、第三单元轨迹长度调节=-33.75度
对于具有类似单元间隔的十六单元的阵列,可以实现具有相位模糊的3度倾斜偏置,如下文所示:
第一(顶部)子阵列轨迹长度调节=122.062度;
第二子阵列轨迹长度调节=34.87度;
第三子阵列轨迹长度调节=-34.87度;以及
第四子(底部)阵列轨迹长度调节=-122.062度。
第一(顶部)子阵列、第一(顶部)单元轨迹长度调节=67.5度
第一子阵列、第二单元轨迹长度调节=22.5度
第一子阵列、第三单元轨迹长度调节=-22.5度
第一子阵列、第四(底部)单元轨迹长度调节=-67.5度
第二子阵列、第一单元轨迹长度调节=16.875度
第二子阵列、第二单元轨迹长度调节=5.635度
第二子阵列、第三单元轨迹长度调节=-5.625度
第二子阵列、第四单元轨迹长度调节=-16.875度
第三子阵列、第一单元轨迹长度调节=16.875度
第三子阵列、第二单元轨迹长度调节=5.625度
第三子阵列、第三单元轨迹长度调节=-5.625度
第三子阵列、第四单元轨迹长度调节=-16.875度
第四(底部)子阵列、第一单元轨迹长度调节=67.5度
第四子阵列、第二单元轨迹长度调节=22.5度
第四子阵列、第三单元轨迹长度调节=-22.5度
第四子阵列、第四单元轨迹长度调节=-67.5度
考虑到前文,将会理解,本发明提供了对于实现用于无线基站天线的垂直电下倾和旁瓣减小的显著改进。应该理解,前文仅涉及本发明的示例性实施例,并且其中可做出多种变化,而不会背离如以下权利要求所定义的本发明的精神和范围。

Claims (31)

1.一种天线系统,包括:
天线单元的阵列,用于限定视轴方向;
可变功率分配器,用于使用单个可调节控制单元在电压振幅分配范围上将输入电压信号分为一对互补振幅电压驱动信号;
波束形成网络,用于接收电压驱动信号并产生多个波束驱动信号;
配电网络,用于将每个波束驱动信号发送到一个或多个相关联的天线单元;以及
所述波束驱动信号驱动天线单元发射波束,所述波束展示出响应于电压振幅分配范围内的电压振幅分配的改变而在倾斜范围内变化的相对于视轴方向的方向倾斜;以及
场可调节倾斜方向致动器,用于调节电压振幅分配并从而调节波束的方向倾斜。
2.如权利要求1所述的天线系统,还包括远程控制器,用于控制所述场可调节倾斜方向致动器。
3.如权利要求1所述的天线系统,其中所述配电网络实现对被发送到天线单元的波束驱动信号的协同移相,以致使有倾斜范围的期望的倾斜偏置。
4.如权利要求3所述的天线系统,还包括场可调节倾斜偏置致动器,用于调节倾斜偏置。
5.如权利要求4所述的天线系统,还包括远程控制器,用于控制所述场可调节倾斜偏置致动器。
6.如权利要求1所述的天线系统,其中:
所述天线单元被组织为一个或多个位于外部子阵列之间的内部子阵列;以及
每个波束驱动信号驱动相关联的天线子阵列。
7.如权利要求6所述的天线系统,其中,出于减小旁瓣发射的目的,外部子阵列中的天线单元的数量大于内部子阵列中的天线单元的数量。
8.如权利要求7所述的天线系统,其中:
外部子阵列的数量为二;
内部子阵列的数量为二;
每个外部子阵列中的天线单元的数量为四;以及
每个内部子阵列中的天线单元的数量为二。
9.如权利要求7所述的天线系统,其中:
外部子阵列的数量为二;
内部子阵列的数量为二;
每个外部子阵列中的天线单元的数量为五;以及
每个内部子阵列中的天线单元的数量为三。
10.如权利要求6所述的天线系统,其中,出于减小旁瓣发射的目的,所述配电网络实现对被发送到一个或多个子阵列中的单元的波束驱动信号的协同移相,以致使对由外部子阵列的天线单元发射的信号的相位匹配进行所期望的模糊。
11.如权利要求10所述的天线系统,其中:
外部子阵列的数量为二;
内部子阵列的数量为二;
每个外部子阵列中的天线单元的数量为四;以及
每个内部子阵列中的天线单元的数量为四。
12.如权利要求10所述的天线系统,其中:
外部子阵列的数量为二;
内部子阵列的数量为二;
每个外部子阵列中的天线单元的数量为三;以及
每个内部子阵列中的天线单元的数量为三。
13.如权利要求6所述的天线系统,包括两个外部子阵列和两个内部子阵列,其中所述波束形成网络是二乘四的正交波束形成网络,并且每个波束驱动信号包括关联于每个电压驱动信号的波束分量。
14.如权利要求6所述的天线系统,包括两个外部子阵列和两个内部子阵列,其中所述波束形成网络是四乘四的Butler矩阵,并且每个波束驱动信号包括关联于每个电压驱动信号的波束分量。
15.如权利要求1所述的天线系统,其中每个天线单元是双极化天线单元,并且对于每一极化还包括类似的可变功率分配器、波束形成网络以及配电网络。
16.如权利要求15所述的天线系统,其中所述场可调节倾斜方向致动器互相机械地链接,以便用协同方式调节对于两个极性的波束倾斜。
17.如权利要求6所述的天线系统,其中:
每个天线单元是双极化天线单元,并且对于每一极化还包括类似的可变功率分配器、波束形成网络以及配电网络;以及
其中所述配电网络实现对被发送到子阵列的波束驱动信号的协同移相,以便对于每一极化产生倾斜范围的所期望的倾斜偏置。
18.如权利要求17所述的天线系统,还包括场可调节倾斜偏置致动器,用于以协同方式调节对于两个极性的倾斜偏置。
19.如权利要求1所述的天线系统,还包括:
基本上平的主面板,用于限定基本上垂直于视轴方向的纵向轴;
所述主面板支持可变功率分配器、配电网络、以及以具有基本上垂直的分布的间隔配置的天线单元的阵列,
所述阵列被分为一个或多个垂直位于外部子阵列之间的内部子阵列;以及
其中所述波束形成网络被配置为安装于主面板的、双面的、边缘相连的模块。
20.一种天线系统,包括:
天线单元的阵列,用于限定视轴方向;
可变功率分配器,用于接收输入电压信号,并将其分为一对相位匹配的、互补振幅电压驱动信号,所述互补振幅电压驱动信号通过可变功率分配器在电压振幅分配范围上展示出恒定的相位延迟;
波束形成网络,用于接收电压驱动信号并产生多个波束驱动信号;
配电网络,用于将每个波束驱动信号发送到相关联的子阵列;以及
所述波束驱动信号驱动天线单元发射波束,所述波束展示出响应于电压振幅分配范围内的电压振幅分配的改变而在倾斜范围内变化的相对于视轴方向的方向倾斜。
21.如权利要求20所述的天线系统,还包括:
基本上平的主面板,用于限定基本上垂直于视轴方向的纵向轴;
所述主面板支持可变功率分配器、配电网络、以及以具有基本上垂直的分布的间隔配置的天线单元的阵列,
所述阵列被分为一个或多个垂直位于外部子阵列之间的内部子阵列;以及
其中所述波束形成网络被配置为安装于主面板的、双面的、边缘相连的模块。
22.如权利要求21所述的天线系统,其中所述配电网络实现对被发送到子阵列的波束驱动信号的协同移相,以致使有倾斜范围的期望的倾斜偏置。
23.如权利要求21所述的天线系统,还包括场可调节倾斜偏置致动器,用于调节倾斜偏置。
24.如权利要求21所述的天线系统,其中,出于减小旁瓣发射的目的,外部子阵列中的天线单元的数量大于内部子阵列中的天线单元的数量。
25.如权利要求21所述的天线系统,其中,出于减小旁瓣发射的目的,所述配电网络实现对被发送到一个或多个子阵列中的单元的波束驱动信号的协同移相,以致使对由外部子阵列的天线单元发射的信号的相位匹配进行所期望的模糊。
26.一种天线系统,包括:
天线单元的阵列,用于限定视轴方向和一个或多个位于外部子阵列之间的内部子阵列;
可变功率分配器,用于在电压振幅分配范围上产生互补振幅电压驱动信号;
波束形成网络,用于接收电压驱动信号并产生多个波束驱动信号;
配电网络,用于将每个波束驱动信号发送到一个或多个相关联的天线单元;
所述波束驱动信号驱动天线单元发射波束,所述波束展示出响应于电压振幅分配范围内的电压振幅分配的改变而在倾斜范围内变化的相对于视轴方向的方向倾斜;以及
其中配电网络实现对被发送到子阵列的波束驱动信号的协同移相,以致使有倾斜范围的期望的倾斜偏置。
27.如权利要求26所述的天线系统,还包括:
基本上平的主面板,用于限定基本上垂直于视轴方向的纵向轴;
所述主面板支持可变功率分配器、配电网络、以及以具有基本上垂直的分布的间隔配置的天线单元的阵列,
所述阵列被分为一个或多个垂直位于外部子阵列之间的内部子阵列;以及
其中所述波束形成网络被配置为安装于主面板的、双面的、边缘相连的模块。
28.一种天线系统,包括:
天线单元的阵列,用于限定视轴方向和一个或多个位于外部子阵列之间的内部子阵列;
可变功率分配器,用于在电压振幅分配范围上产生互补振幅电压驱动信号;
波束形成网络,用于接收电压驱动信号并产生多个波束驱动信号;
配电网络,用于将每个波束驱动信号发送到一个或多个相关联的天线单元;
所述波束驱动信号驱动天线单元发射波束,所述波束展示出响应于电压振幅分配范围内的电压振幅分配的改变而在倾斜范围内变化的相对于视轴方向的方向倾斜;
其中出于减小旁瓣发射的目的,外部子阵列中的天线单元的数量大于内部子阵列中的天线单元的数量。
29.如权利要求26所述的天线系统,还包括:
基本上平的主面板,用于限定基本上垂直于视轴方向的纵向轴;
所述主面板支持可变功率分配器、配电网络、以及以具有基本上垂直的分布的间隔配置的天线单元的阵列,
所述阵列被分为一个或多个垂直位于外部子阵列之间的内部子阵列;以及
其中所述波束形成网络被配置为安装于主面板的、双面的、边缘相连的模块。
30.一种天线系统,包括:
天线单元的阵列,用于限定视轴方向和一个或多个位于外部子阵列之间的内部子阵列;
可变功率分配器,用于在电压振幅分配范围上产生互补振幅电压驱动信号;
波束形成网络,用于接收电压驱动信号并产生多个波束驱动信号;
配电网络,用于将每个波束驱动信号发送到一个或多个相关联的天线单元;
所述波束驱动信号驱动天线单元发射波束,所述波束展示出响应于电压振幅分配范围内的电压振幅分配的改变而在倾斜范围内变化的相对于视轴方向的方向倾斜;以及
场可调节倾斜方向致动器,用于调节电压振幅分配,并从而调节波束的方向倾斜;以及
其中,出于减小旁瓣发射的目的,配电网络实现对被发送到一个或多个子阵列的波束驱动信号的协同移相,以致使对由外部子阵列的天线单元发射的信号的相位匹配进行所期望的模糊。
31.如权利要求26所述的天线系统,还包括:
基本上平的主面板,用于限定基本上垂直于视轴方向的纵向轴;
所述主面板支持可变功率分配器、配电网络、以及以具有基本上垂直的分布的间隔配置的天线单元的阵列,
所述阵列被分为一个或多个垂直位于外部子阵列之间的内部子阵列;以及
其中所述波束形成网络被配置为安装于主面板的、双面的、边缘相连的模块。
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