CN1879254A - 电倾斜可控的相控阵天线系统 - Google Patents

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Abstract

一种电倾斜可控的相控阵天线系统生成两个其间具有可变相对延迟的信号V2a和V2b。这些信号由配电网络(100)转换成天线单元驱动信号。网络(100)将这两个信号V2a和V2b中的每个信号分离成三个信号分量。不同信号的分量对输入相应的(180)混合耦合装置(混合电路)(110、112和114)，这些装置提供其输入的矢量和与差，并充当相位到功率转换器。其输出在另外的(180)混合电路(116、118和120)之间分配，这些混合电路充当功率到相位转换器并提供相位随单元阵位置并且还随这两个信号V2a和V2b之间的可变相对延迟而变化的天线单元驱动信号。因此，通过改变单个相对延迟，天线电倾斜是可控的。

Description

电倾斜可控的相控阵天线系统
本发明涉及电倾斜可控的相控阵天线系统。该天线系统适用于许多电信系统，但尤其在通常称为移动电话网络的蜂窝移动无线电网络中得到应用。更具体地，但没有限制，本发明的天线系统可与诸如GSM系统、CDMA(IS95)、D-AMPS(IS136)和PCS系统的第二代(2G)移动电话网络和诸如通用移动电话系统(UMTS)的第三代(3G)移动电话网络及其它蜂窝系统一起使用。
蜂窝移动无线电网络的运营商一般采用其自己的基站，每个基站具有至少一个天线。在蜂窝移动无线电网络中，天线是界定到基站的通信可发生的覆盖区域的主要因素。覆盖区域一般分成多个小区，每个小区与相应的天线和基站相关联。
每个小区包含用于与该小区中所有移动无线电(移动台)进行无线电通信的基站。基站通过其它通信手段互连，通常是固定陆线或点对点无线电链路，从而允许遍布小区覆盖区域的移动无线电彼此进行通信及与蜂窝移动无线电网络外的公共电话网络进行通信。
已知使用相控阵天线的蜂窝移动无线电网络：此类天线包括阵列，具有(通常八个或更多)单独的天线单元，如偶极或片状天线。天线具有包括主瓣和旁瓣的辐射方向图。在接收模式，主瓣的中心是天线的最大灵敏度方向，而在发射模式，主瓣的中心是其主输出辐射束的方向。相控阵天线的众所周知的属性是，如果天线单元接收的信号由于随单元与阵列边缘的距离而变化的延迟而被延迟时，则天线主辐射束被操控转向增加延迟的方向。对应于零和非零延迟变化的主辐射束中心之间的角度即倾角取决于延迟随跨阵列的距离而变化的速率。
延迟可通过更改信号相位而等效实施，因而有这样的表达：相控阵。因此，通过调整馈入天线单元的信号之间的相位关系，可改变天线方向图的主射束。这允许操控射束以修改天线的覆盖区域。
蜂窝移动无线电网络中的相控阵天线操作员要求调整其天线的垂直辐射方向图，即方向图在垂直面的横截面。这是改变天线主射束的垂直角度也称为“倾斜”以调整天线的覆盖区域所必需的。例如，可能需要进行此类调整以补偿蜂窝网络结构或基站或天线数量的变化。已知以机械方式和电方式单独或组合调整天线倾角。
通过移动天线单元或其外罩(天线罩)，可以以机械方式调整天线倾角：这称为调整“机械倾斜”的角度。如上所述，通过更改馈入每个天线阵单元(或单元组)或从每个天线阵单元(或单元组)接收的信号的时间延迟或相位而无物理移动，可以以电方式调整天线倾角：这称为调整“电倾斜”的角度。在蜂窝移动无线电网络中使用时，相控阵天线的垂直辐射方向图(VRP)具有多个重要要求：
1.高视轴(boresight)增益；
2.第一上部旁瓣电平足够低以避免干扰使用不同小区中基站的移动台；
3.第一下部旁瓣电平足够高以允许在天线临近处进行通信；
4.天线电倾斜时保持在预定限制内的旁瓣电平。
这些要求是相互冲突的，例如，增加视轴增益可能增加旁瓣的电平。此外，旁瓣的方向和电平在天线电倾斜时可能更改。
相对于视轴电平，-18dB的第一上部旁瓣最大电平被认为在整体系统性能上提供了合适的折衷。
调整机械倾角或电倾角的结果是重新定位视轴使得对于在垂直面的阵列，它指向水平面上方或下方，并因而更改天线的覆盖区域。希望是能够改变蜂窝无线电基站天线的机械倾斜和电倾斜两者：由于这些倾斜形式对天线地面覆盖范围有不同影响，并且还对站台临近处的其它天线有不同影响，因此，这使得在优化小区覆盖范围中有最大灵活性。此外，如果可以从天线装置远程调整电倾角，则操作效率得以提高。尽管天线的机械倾角可通过重新定位其天线罩而进行调整，但更改其电倾角需要附加的电子电路，这增加天线的成本和复杂性。此外，如果在多个操作者之间共享单个天线，则优选为每个操作者提供不同的电倾角。
从共享天线获得单独的电倾角的需要到目前为止导致天线性能的损害。由于天线有效孔径的减小，视轴增益将与倾角的余弦成比例降低(这是不可避免的并且发生在所有天线设计中)。作为用于更改倾角的方法的结果，可能导致视轴增益进一步减小。
“天线工程师手册”(R.C.Johnson，Antenna Engineers Handbook，3rd Ed 1993，McGraw Hill，ISBN 0-07-032381-X，Ch 20，Figure 20-2)公开一种用于在本地或远程调整相控阵天线的电倾角的已知方法。在此方法中，射频(RF)发射器载波信号被馈入天线并被分配到天线的辐射单元。每个天线单元具有与其相关联的相应移相器，使得信号相位可随跨天线的距离的变化而被调整，从而改变天线的电倾角。天线未倾斜时到天线单元的功率分配是成比例的，以便设置旁瓣电平和视轴增益。在为所有倾角控制相位波前(phase front)使得在倾斜范围内旁瓣电平不增加时，获得倾角的最佳控制。如果需要，可通过使用伺服机构以控制移相器来远程调整电倾角。
此现有技术方法天线具有多个缺点。每个天线单元需要一个移相器。由于所需的移相器的数量原因，天线的成本高。通过将延迟装置应用到相应的天线单元组而不是各个单元降低了成本，但增加了旁瓣电平。延迟装置的机械耦合用于调整延迟，但难以进行正确的调整；另外，需要机械链路和齿轮导致了延迟的非最佳分配。天线朝下倾斜时上部旁瓣电平增加，从而形成使用其它小区的移动台的潜在干扰源。如果天线由多个操作员共享，则操作员具有共同的电倾角而不是不同的角度。最后，如果天线在具有不同频率(这是通常情况)的上行链路和下行链路的通信系统(频分双工系统)中使用，则电倾角在发射和接收模式中不同。
专利申请PCT/GB2002/004166、PCT/GB2002/004930、GB0307558.7和GB0311371.9描述通过馈入天线电路的两个信号之间的相位差在本地或远程调整天线的电倾角的不同方法。PCT/GB2004/001297涉及通过将载波信号分成两个信号、将一个信号相对于另一信号进行可变移相并对结果信号应用相位到功率转换来调整电倾斜。分离所转换的信号并进行功率到相位转换以提供到天线单元。通过改变这两个信号之间的相移而调整电倾斜。PCT/GB2004/002016也涉及在两个信号之间引入可变相对相移，这两个信号随后被分离成分量：形成这些分量的矢量组合来为各个天线单元提供相应的驱动信号。此处同样通过改变这两个信号之间的相移而调整电倾斜。
然而，存在一个与分离RF信号有关的问题，这就是分离器比率(splitter ratio)可能太高而无法在单个分离操作中实施：它可能需要两个或更多个级联操作，这增加了电路大小、成本和复杂性。关于此的原因在于以下事实：通过将电路板上的微带轨道(track)分割成更窄的条带实施分离器，这些条带与分割前的轨道相比具有不同的阻抗。通过高度复杂的经验表达式，微带阻抗与轨道宽度相关，但对于典型的板衬底厚度，50欧姆的轨道会有2.8毫米宽。轨道随阻抗增加而变窄，直至它太窄而无法可靠地焊接到衬底。在轨道宽度低于大约0.2毫米时出现无法产生可靠的焊接：此宽度产生大约150欧姆的阻抗，表示9.5dB的分离器比率，因此，对于单个分离器希望不要超过该值。PCT/GB2004/001297要求19dB的分离器比率，这意味着级联至少两个分离器操作。
其它潜在的问题如下：a)需要的分离器输出可能太多，超过单个分离器中可实施的数量；b)广泛变化的分离器比率减小了天线在保持希望的低旁瓣电平的同时可以倾斜的频率范围；以及c)多个分离器导致到天线的共同信号馈入网络，并且到各个天线单元的馈线长度不同。在这些问题中，c)要求插入附加的组件，使得到每个单元的信号渡越时间相同，从而获得相位中性网络和优化的频率响应。所有这些问题使得希望减少分离器数量和分离器比率。
本发明的目的是提供一种替代形式的相控阵天线系统。
本发明提供一种电倾斜可控、包括具有多个天线单元的天线的相控阵天线系统，其特征在于该系统具有：
a)用于提供两个其间具有可变相对延迟的基本信号的部件，
b)用于将这些基本信号分割成信号分量的分离部件，
c)用于将这些信号分量转换成变换的分量的相位到功率转换部件，这些变换的分量具有随该相对延迟变化而变化的功率，以及
d)用于将这些变换的分量转换成天线单元驱动信号的功率到相位转换部件，这些驱动信号具有在该天线电倾斜时跨该天线从一个天线单元到另一天线单元逐渐变化并且随该相对延迟变化而单独变化的相位。
本发明提供的优点在于它允许通过单个可变相对延迟控制电倾斜，但在需要时可使用多个延迟以增加电倾斜的可达到范围，并且它要求较少的分离操作。
相位到功率转换部件可以是多个用于提供信号分量对的和与差的混合射频耦合装置(“混合电路”)，每对具有来自两个基本信号的信号分量。它可以是多个用于提供信号分量对的和与差的180度混合电路，每对具有来自两个基本信号的信号分量。每对可具有幅度相等的信号分量，并且每对的分量幅度不等于另一对的分量幅度。
混合电路可以是第一混合电路，并且功率到相位转换部件可包括多个用于生成天线单元驱动信号的第二混合电路。分离部件可以是第一分离部件，并且功率到相位转换部件可包括用于将这些和与差分割成分量以输入到第二混合电路的第二分离部件。第一分离部件可用于将每个基本信号分成三个信号分量。第二分离部件可以是多个双向分离器。
在优选实施例中，安排本发明使得基本信号到天线单元的所有路径包含相同数量和类型的分量。
另一方面，本发明提供一种控制包括具有多个天线单元的天线的相控阵天线系统电倾斜的方法，其特征在于该方法包括以下步骤：
a)提供两个其间具有可变相对延迟的基本信号，
b)将这些基本信号分割成信号分量，
c)将这些信号分量转换成变换的分量，这些变换的分量具有随该相对延迟变化而变化的功率，以及
d)将这些变换的分量转换成天线单元驱动信号，这些驱动信号具有在该天线电倾斜时跨该天线从一个天线单元到另一天线单元逐渐变化并且随该相对延迟变化而单独变化的相位。
本发明的方法方面可包括经必要修正与天线系统方面的那些特性相当的优选特性。
为可以更完整地理解本发明，现在将参照附图，仅通过示例方式描述本发明实施例，图中：
图1示出电倾角为零和非零的相控阵天线的垂直辐射方向图(VRP)；
图2示出电倾角可调整的现有技术的相控阵天线；
图3是使用单个时间延迟的本发明的相控阵天线系统方框图；
图4是使用两个时间延迟的本发明的相控阵天线系统方框图；
图5示出在图3或图4的系统中使用的配电网络；
图6a和6b示出在具有十二个单元的天线的本发明系统中使用的配电网络；
图7是在图5和图6网络中使用的180度混合RF耦合装置示意图；
图8a和8b是矢量图，示出由图6网络产生的天线单元驱动信号的相位；
图9示出180度混合电路182，它接收两个其间具有相对相移φ、振幅电压Va和Vb相等的A和B输入；
图10是矢量+A、+B、-B、A+B和A-B的矢量图；
图11示出A+B和A-B(点划线)的相对幅度如何随其相对相位差φ从-180度调整到0度再到+180度而变化的；以及
图12示出φ从-180度调整到0度再到+180度时的A+B和A-B相位变化。
参照图1，示出天线12的垂直辐射方向图(VRP)10a和10b，天线12是由各个天线单元(未示出)组成的相控阵。天线12是平面、具有中心14并垂直于图形的平面延伸。VRP 10a和10b分别对应于天线单元信号的延迟或相位随着从阵列边缘跨天线12的阵列单元距离的零和非零变化。它们具有带有中心线或“视轴”18a、18b的相应主瓣16a、16b、第一上部旁瓣20a、20b和第一下部旁瓣22a、22b；18c指示用于零延迟变化的视轴方向，以与非零延迟变化的视轴方向18b进行比较。引用时如未带有后缀a或b，例如，旁瓣20，则引用的是相关单元对中的任一单元而不区分。VRP 10b相对于VRP 10a是倾斜的(如图所示向下倾斜)，即，在主射束中心线18b与18c之间存在一个角度-倾角，它的幅度取决于延迟随跨天线12的距离而变化的速率。
VRP必须满足多个标准：a)高视轴增益；b)第一上部旁瓣20应在足够低的电平以避免引起对使用另一小区的移动台的干扰；c)第一下部旁瓣22应在足够的电平以可能在天线12的临近处进行通信；以及d)在天线电倾斜时旁瓣的电平和方向应保持在预定的设计限制内。这些要求互相冲突，例如，使视轴增益达到最大可增加旁瓣20、22。相对于视轴电平(主射束16的长度)，-18dB的第一上部旁瓣最大电平被认为在整体系统性能上提供了合适的折衷。由于天线有效孔径的减小，视轴增益与倾角的余弦成比例降低。视更改倾角的方式而定，可能导致视轴增益进一步减小。
调整机械倾角或电倾角的结果是重新定位视轴使得它指向水平面上方或下方，并因而调整天线的覆盖区域。为获得最大的使用灵活性，蜂窝无线电基站优选具有可用的机械倾斜和电倾斜，因为每个倾斜对地面覆盖范围有不同影响并且还对临近处的其它天线有不同影响。如果可以远离天线来调整天线的电倾斜，则这也是方便的。此外，如果在多个操作者之间共享单个天线，则优选为每个操作者提供不同的电倾角，但在现有技术中这损害天线性能。
现在参照图2，示出现有技术的相控阵天线系统30，其中电倾角是可调整的。系统30包括用于射频(RF)发射器载波信号的输入端32，该输入端连接到配电网络34。网络34经移相器Phi.E0、Phi.E1L到Phi.E[n]L和Phi.E1U到Phi.E[n]U连接到相控阵天线系统30的相应辐射天线单元E0、E1L到E[n]L和E1U到E[n]U：此处，后缀U指示上部，并且后缀L指示下部，n是定义相控阵大小的任意正整数，并且诸如36的指示相关单元的虚线可根据任何希望的阵列大小的需要重复或去除。
相控阵天线系统30操作如下。RF发射器载波信号经输入端32馈入配电网络34：网络34将此信号在移相器Phi.E0、Phi.E1L到Phi.E[n]L和Phi.E1U到Phi.E[n]U之间分割(不一定平均)，这些移相器分别将其相应分割的信号进行移相并将它们与相移一起传递到相关联的天线单元E0、E1L到E[n]L、E1U到E[n]U。相移经选择以选择适当的电倾角。倾角为零时在天线单元E0等之间的功率分配经选择以适当地设置旁瓣电平和视轴增益。在为所有倾角控制跨单元E0等组成的阵列的相位波前使得在倾斜范围内旁瓣电平不显著增加时，获得电倾角的最佳控制。如果需要，可通过使用伺服机构以控制可以以机械方式起动的移相器Phi.E0、Phi.E1L到Phi.E[n]L和Phi.E1U到Phi.E[n]U来远程调整电倾角。
相控阵天线系统30具有以下多个缺点：
a)每个天线单元或(更不利的是)每组单元需要一个移相器；
b)由于所需的移相器的数量原因，天线的成本高；
c)通过将移相器应用到相应的单元组而不是各个天线单元降低了成本，但增加了旁瓣电平；
d)为正确设置延迟而进行移相器的机械耦合困难，并且使用了导致非最佳延迟方案的机械链路和齿轮；
e)天线朝下倾斜时上部旁瓣电平增加，从而形成使用其它基站的移动台的潜在干扰源。
f)如果天线由不同操作员共享，则所有操作者必须使用相同的电倾角；以及
g)在具有不同频率的上行链路和下行链路的系统(频分双工系统)中，发射时的电倾角与接收时的电倾角不同。
现在参照图3，示出具有可调整电倾角的本发明的相控阵天线系统40。系统40具有用于RF发射器载波信号的输入端42：输入端42连接到功率分离器44，由其提供两个输出信号V1a、V1b，分别作为到可变移相器46和固定移相器48的输入信号。由于相移和时间延迟在单个频率等效，因此，移相器46和48还可视为时间延迟。它们向配电网络50提供相应的输出信号V2a和V2b，这将在稍后更详细描述。
网络50提供四个驱动信号，这些信号经固定移相器58U1、58U2、58L1和58L2分别传递到相控阵天线60的四个等间距天线单元60U1、60U2、60L1和60L2(U＝上部，L＝下部)。天线60具有由虚线61指示的中心。天线60可具有任何数量的单元，但它至少要具有两个单元。
相控阵天线系统40操作如下。RF发射器载波信号经输入端42馈入(单馈线)到功率分离器44，在该处，它被分割成功率相等的信号V1a和V1b。信号V1a和V1b分别馈入可变移相器46和固定移相器48。可变移相器46由操作员控制，以应用可选相移或时间延迟，并且此处应用的相移的度数控制相控阵天线60的电倾角。固定移相器48(方便但不是必需)应用固定相移，为方便起见，该相移安排为可变移相器46可应用的最大相移φM的一半。这使得V1a的相位可相对于V1b在-φM/2到+φM/2范围内是可变的，并且在从移相器46和48输出后，移相后的这些信号如所述变成V2a和V2b。
网络50从其输入信号V2a和V2b形成信号的多种矢量组合来为每个天线单元60U1等提供相应的驱动信号。驱动信号的相位随离在一个边缘的天线单元60U2或60L2的跨天线60的天线单元距离的变化而呈线性变化(或者可能带有成形(contoured)相位锥度)，根据需要从天线60产生以某个角度向阵列视轴倾斜的平行射束。正如相控阵领域中众所周知的，角度取决于相位随跨天线60的距离而变化的速率。可以证明(如稍后所述)，通过只使用一个可变移相器即可变移相器46可改变阵列60的电倾角。这与图2现有技术要求具有多个可变移相器(每个天线单元一个相应的移相器)相比。可变移相器46引入的相位差为正时，电倾斜在一个方向上，并且该相位差为负时，电倾斜在反方向上。
固定移相器58U1等施加固定相移，这些固定相移在不同的天线单元60U1等之间根据跨阵列60的单元几何位置呈线性变化(忽略相位锥度)：在由可变移相器46施加的在信号V1a与V1b之间的相位差为零时，这将为阵列60视轴设置零参考方向(图1中的18a或18b)。固定移相器58U1等不是必要的，但由于它们可用于a)使由倾斜过程引入的相移正确地成比例，b)优化倾斜范围内旁瓣的抑制，以及c)引入任选的固定电倾角，因此，它们是优选的。
如果存在多个用户，则每个用户可具有相应的相控阵天线系统40。或者，如果要求用户采用公共天线60，则每个用户具有图3中相应的一组单元42到50，并且要求组合网络组合信号以馈入天线阵列60。公布的国际专利申请WO 02/082581 A2描述了此类网络。
现在参照图4，此图示出使用两个时间延迟或相移的本发明又一相控阵天线系统70。系统70具有连接到第一功率分离器74的RF载波信号输入端72，分离器提供两个输出信号V1a、V1b以分别输入第一可变移相器76和第一固定移相器78。它们提供相应的输出信号V2a和V2b到第二固定移相器80和第二功率分离器82。需要时，第一固定移相器78和第二固定移相器80可组合在单个设备中。第二功率分离器82将信号V2b分割成两个信号V3b1和V3b2，这两个信号传递到第二可变移相器84和第三固定移相器86。信号V3b1和V3b2随后分别传递到将在稍后更详细描述的第一和第二配电网络88和90。信号V2a经第二固定移相器82传递到第三功率分离器92以被分成分别馈入第一配电网络88和第二配电网络90的两个信号V3a1和V3a2。
网络88和90一起提供八个驱动信号，这些驱动信号经固定移相器94U1到94L4分别传递到相控阵天线96的八个等间距天线单元96U1到96L4。网络90驱动最内部的四个天线单元96U1、96U2、96L1和96L2，并且网络88驱动剩余天线单元。
相控阵天线系统70操作如下。RF发射器载波信号经输入端72馈入(单馈线)到第一功率分离器74，在该处，它被分成功率相等的信号V1a和V1b。信号V1a和V1b分别馈入第一可变移相器76和固定移相器和78。固定移相器78应用由可变移相器76可应用的最大相移的一半的相移。第一可变移相器76提供相控阵天线96的电倾角的部分控制，第二可变移相器76提供此控制的剩余部分。
配电网络88和90分别接收输入信号V3a1/V3b1和V3a2/V3b2，并且它们形成这些信号的矢量组合来为每个天线单元96U1等提供相应的驱动信号。驱动信号的相位随跨天线96的天线单元距离的变化呈线性变化。两个可变移相器76和84的使用允许跨天线96应用比单个相位可变移相器(如图3中)更大范围的相移，并因而可获得更大范围的电倾斜。
现在参照图5，示出通常为在图3和图4的50、88和90使用的那种配电网络100，但它示出的天线单元多于与上述配电网络相关联的天线单元。网络100具有两个分别连接到第一和第二三向功率分离器106a和106b的输入端102a和102b。第一三向功率分离器106a将具有振幅Va的输入信号或矢量A分割成三个信号a1.A、a2.A和a3.A，其中，a1、a2和a3是标量振幅分离比率。信号a1.A、a2.A和a3.A分别馈入第一、第二和第三180混合RF信号耦合装置(混合电路)110、112和114的第一输入端1。第二三向功率分离器106b将具有振幅Vb的输入信号或矢量B分割成三个信号b1.B、b2.B和b3.B，其中，b1、b2和b3是第二分离器106b的标量振幅分离比率。这三个信号b1.B、b2.B和b3.B分别馈入混合电路110、112和114的第二输入端2。矢量A和B的振幅相等，即Va＝Vb。混合电路110到114还称为和与差混合电路。
每个混合电路110、112和114分别具有和与差输出端S1/D1、S2/D2和S3/D3，在这些输出端是其输入信号A和B的矢量和A+B与差A-B。正如稍后将更详细描述的，此类混合电路的属性是，在此类混合电路的输入信号振幅相等时，其和与差输出在它们之间具有固定的相位差90度。即使这些输入信号之间的相位差不同，情况也是这样。A+B和信号彼此同相，A-B差信号也是如此，并且和信号与差信号呈90度。在输入信号之间的相位差由于可变移相器46的操作而变化时，和与差输出信号的幅度会变化：例如，对于幅度相等的同相输入信号，A+B＝2A及A-B＝0；对于反相的幅度相等的输入信号，A+B＝0及A-B＝2A；对于相位差90度、幅度相等的输入信号，A+B和A-B均等于
Figure A20048003285300161
混合电路110、112和114因此充当相位到功率转换器，因为它们将功率恒定但相位差可变的输入信号转换成功率可变但相位差恒定的输出信号。
来自混合电路110、112和114的输出端S1、S2和S3的A+B和信号分别馈入第四、第五和第六180混合电路116、118和120的对应引用输入端S1、S2和S3。类似地，来自混合电路110、112和114的输出端D1、D2和D3的A-B差信号分别馈入第六、第五和第四混合电路120、118和116的对应引用输入端D1、D2和D3。
第四、第五和第六混合电路116到120也具有在每种情况下由“和”与“差”指示的和与差输出端，其输入信号的矢量和A+B与差A-B分别出现在这些输出端。A+B和信号经相应的固定移相器122U1到122U3馈入六单元的相控阵天线124的上半部中相应的天线单元124U1到124U3。类似地，A-B差信号经固定移相器122L1到122L3馈入天线124的下半部中相应的天线单元124L1到124L3。严格地说，移相器122U1到122L3和天线阵124不是网络100的一部分，因为包括网络的图3和图4已经示出这些移相器和天线阵。第四、第五和第六混合电路116到120将其输入端之间的功率差转换成其输出端的相位差，因此，它们充当功率到相位转换器。
如果在第一、第二和第三混合电路110到114的输出端及第四、第五和第六混合电路116到120的输入端之间插入另外的分离器，则在设置每个天线单元124L1等的所需相位和振幅方面存在进一步的灵活性。为避免需要除在天线单元中以外耗散功率，只要第一、第二或第三混合电路110、112或114的输出被分离，则添加另外的混合电路和天线单元以尽可能有效地使用所有RF功率。
天线单元124U1等与相应的固定移相器122U1等相关联，其目的是a)设置天线的标称平均倾斜以及b)优化天线124在其倾斜范围内的波瓣的电平。
在图5中，示出的混合电路110到120对其输入应用相等的加权：即，对于输入信号A和B，则和输出为(A+B)，以及差输出为(A-B)。然而，它们还可构建为具有不相等加权的输入A和B以产生和输出(xA+yB)和差输出(xA-yB)。此处x是应用到输入A的加权，并且y是应用到输入B的加权。要在不相等加权的混合电路中节能，输入其输入端的总功率应等于流出其输出端的总功率，忽略在实际实施中不可避免的热损失。使用不相等加权的混合电路可产生两个优点：a)对在优化天线单元相位和振幅分布方面的设计添加进一步的灵活性；b)可在两个或更多个分离器组件之间分配信号分离，从而减少任一分离器所需的最大分离比率并改善频率响应。
当在系统40中使用时，配电网络100的优点是：
a)在分离器106a和106b只需一个分离操作，每个分离器只分离成三个信号；
b)通过单个可变移相器或时间延迟装置46实施倾斜；
c)在网络输入端102a和102b的信号及信号转换成的分量沿到天线单元124U1等的路径通过数量和类型完全相同的组件，即，一个分离器和两个混合电路(正如所述，严格地说，移相器122U1等不是网络100的一部分)。在忽略由于非零制造公差而引起的变化下，这些路径因此应具有基本相同的电长度。因此，避免网络中由于不同路径中不同类型组件而引起的相位和振幅误差，并且在倾斜范围内可保持良好的射束形状。此外，由于到单元的每个路径的相位和振幅误差变化相等并减少了相邻天线单元之间的误差，因此，在更大的频率范围内保持射束形状；
c)在忽略组件偏离理想属性的情况下，可实施天线而无需在天线单元外的任何组件中耗散RF功率；
d)与使用多个可变时间延迟装置、具有类似性能的天线相比，降低了相控阵天线的成本；以及
e)通过使用大量的可变时间延迟装置未损害天线的可靠性。
可在前面三个混合电路110到114的输出端与其它混合电路116到120的输入端之间插入分离器，以在设置馈入天线单元的信号的相位和振幅中引入更进一步的灵活性。这将在下一实施例中描述。
现在参照图6a和图6b，在两个部分140a和140b中示出又一配电网络140：网络140是与等间距的十二单元的相控阵天线148一起使用，但在其它方面同在图3和图4中的50、88和90使用的那种配电网络。网络140与参照图5所述的网络相当，具有额外的一列分离器142c到142h和足够的混合电路1444到1449及固定移相器146U1到144L6来为天线148增加的天线单元148U1到148L6提供信号。与上述部分相当的部分以类似的方式标注，并且说明将集中在不同的方面。
如上所述，在输入端102a和102b，两个具有相应振幅Va和Vb的输入信号矢量A和B由分离器106a和106b分离成信号部分a1.A、a2.A、a3.A和b1.B、b2.B、b3.B，并馈入第一、第二和第三混合电路110到114的第一和第二输入端1和2：即，信号a[n].A和b[n].B输入第n个混合电路110+2n，n＝0、1和2。设置分离比率使得a1＝b1、a2＝b2和a3＝b3，以在混合电路110到114中实施相位到功率转换。
现在还参照图7，此图以示意图方式示出具有输入A和B及输出A+B和A-B的180度混合耦合器132。曲线134指示从输入到输出的路径，并且相关联标记-180和-360指示沿此类路径通过的信号经历的相移或相当的延迟。如图所示，从A输入1和B输入2到A+B“和”输出及从A到A-B“差”输出的路径134全部与-180度相移相关联，而从B输入2到A-B“差”输出的路径135与-360度相移相关联。180度相移使正弦信号反相或将它乘以-1，而-360度相移保持它不变。因此，信号A与B均在传递到“和”输出时反相，并因此相加在一起，但只有信号B在“差”输出反相，并因此从A中减去。正如稍后将描述的，如果两个幅度相等但相位不同的信号矢量均由180度混合电路进行相加和相减，则结果的和与差矢量相互呈90度而与输入相位差无关。A+B和A-B因此相位差90度，正如稍后将描述的，由于它简化了天线单元信号相位的计算，因此，这是方便的(但不是必需的)。混合电路110到114因此充当相位到功率转换器，它们将振幅相等但相对相位差可变的输入信号例如(a1.A/b1.B)转换成功率可变但相位差恒定为90度的和与差输出信号。另外，所有三个混合电路110到114的A+B输出均彼此同相，并且与这些混合电路的所有三个A-B输出呈90度。
混合电路110到114的A+B输出分别连接到双向分离器142c、142e和142g以及A-B输出分别连接到双向分离器142d、142f和142h。分离器142c到142h分别将其输入信号分离成信号部分c1/c2、d1/d2、e1/e2、f1/f2、g1/g2和h1/h2：这些部分还用作相应分离器输出端的参考标记，并且用于输入到第四到第九混合电路1444到1449的相应对应引用输入端c1到h2。第四到第九混合电路1444到1449具有A和B输入1与2及A+B与A-B和与差输出“和”与“差”，并且具有与第一、第二和第三混合电路110到114相同的结构和操作模式。下面的表1示出第四到第九混合电路1444到1449中的哪些输入端接收哪些信号部分：此处+/-标记分别指示相加和/相减。
                                            表1
  混合   输入   部分   混合   输入   部分
  1444   1   c1.(a1.A+b1.B)   1447   1   e2.(a2.A+b2.B)
  1444   2   d1.(a3.A-b3.B)   1447   2   f2.(a2.A-b2.B)
  1445   1   c2.(a1.A+b1.B)   1448   1   g1.(a3.A+b3.B)
  1445   2   d2.(a3.A-b3.B)   1448   2   h1.(a1.A-b1.B)
  1446   1   e1.(a2.A+b2.B)   1448   1   g2.(a3.A+b3.B)
  1446   2   f1.(a2.A-b2.B)   1449   2   h2.(a1.A-b1.B)
分离器142c到142h将其输入信号分离成适用于相加和相减以形成天线单元驱动信号的信号部分，驱动信号可随跨天线148的天线单元位置而逐渐变化。下面的表2示出第四到第九混合电路1444到1449的哪些输出“和”/“差”经相应的固定移相器146U1到144L6驱动哪些天线单元148U1到148L6。天线148上半部的天线单元148U1到148U6全部由第四到第九混合电路1444到1449的和输出“和”驱动，但在下半部的天线单元由这些混合电路的差输出“差”驱动。第四到第九混合电路输出端1444到1449中的每个接收始于第一到第三混合电路110到114的和或差输出端的信号贡献，而不是从两种类型的输出端均接收。其输入信号因而彼此同相。第四到第九混合电路1444到1449因而充当功率到相位转换器：每个将其两个输入信号(它们的相位差为零但是振幅不必相等)转换成相位差在不同混合电路之间变化但功率恒定的和与差输出信号(忽略任何振幅锥度的规定)。所示布置允许跨天线148实现行进的相位波前，并允许有效地使用所有输入功率。这忽略了由于在非理想组件中的功率耗散而引起的损失的可能性。排除此类损失后，配电网络140不生成对天线驱动信号无用的信号，因此，不必低效地处理一些输入功率。
第四混合电路1444驱动最外侧的天线单元对148U6和148L6。第五到第九混合电路1445到1449分别驱动天线单元对148U5/148L5、148U4/148L4、148U3/148L3、148U2/148L5和148U1/148L1，这些单元对逐渐更接近天线中心150，每对以它为中心。
下面的表2示出从混合电路1444到1449的输出信号。分离器部分c1等必须是标量，但例如(a1.A+b1.B)和(a3.A-b3.B)的在表2第4列括号中的项是矢量相加与相减。相位差如前面参照图3或图4所述施加在Va与Vb之间，并且矢量由粗体字符指示。另外，如先前所述，幅度相等的信号之间的矢量相加(a1.A+b1.B)等的结果全部彼此同相，并且与所有矢量相减(a3.A-b3.B)等呈90度相位差。矢量相减因此全部自动与矢量相加在相位上相差1/4周期。
                                       表2
  天线单元   混合   输出   输出信号
  148U6   1444   和   c1.(a1.A+b1.B)+d1.(a3.A-b3.B)
  148U5   1445   和   c2.(a1.A+b1.B)+d2.(a3.A-b3.B)
  148U4   1446   和   e1.(a2.A+b2.B)+f1.(a2.A-b2.B)
  148U3   1447   和   e2.(a2.A+b2.B)+f2.(a2.A-b2.B)
  148U2   1448   和   g1.(a3.A+b3.B)+h1.(a1.A-b1.B)
  148U1   1449   和   g2.(a2.A+b3.B)+h2.(a1.A-b1.B)
  148L1   1449   差   g2.(a3.A+b3.B)-h2.(a1.A-b1.B)
  148L2   1448   差   g1.(a3.A+b3.B)-h1.(a1.A-b1.B)
  148L3   1447   差   e2.(a2.A+b2.B)-f2.(a2.A-b2.B)
  148L4   1446   差   e1.(a2.A+b2.B)-f1.(a2.A-b2.B)
  148L5   1445   差   c2.(a1.A+b1.B)-d2.(a3.A-b3.B)
  148L6   1444   差   c1.(a1.A+b1.B)-d1.(a3.A-b3.B)
在表2的第4列中的表达式具有P+Q的形式，其中，Q是与矢量P在相位上相差1/4周期的矢量。所有P矢量彼此同相，并且所有Q矢量彼此同相。它们因此可写为P+jQ，其中，P和Q是P与Q的标量幅度。例如，对于天线单元148U6：
P＝c2.(a1.A+b1.B)and Q＝d2.(a3.A-b3.B)            (1)
用Pn和Qn表示提供到第n个上部和下部天线单元148Un和148Ln(n＝1到6)的电压的同相和正交分量，此电压的相位φn表示如下：
φ n = tan - 1 ( Q n P n ) . . . ( 2 )
其中，Qn对于天线148上半部中的天线单元148Un为正，并且对于下半部中的天线单元148Ln为负。
第n个天线单元电压的标量幅度Vn表示如下：
V n = ( P n 2 + Q n 2 ) . . . ( 3 )
在网络140的此实施例中的分离器比率在下面的表3中示出。
                      表3
分离器 分离器输出          分离比率
  电压   分贝
102a   a1   0.2500   -9.5dB
  a2   0.5000   -7.20dB
  a3   1.0000   -1.18dB
  102b   b1   0.2500   -9.5dB
b2 0.5000 -7.20dB
  b3   1.0000   -1.18dB
142c   c1   1.0000   -3.00dB
  c2   1.0000   -3.00dB
142d   d1   1.0000   -0.97dB
  d2   0.5000   -7.00dB
142e   e1   1.0000   -3.00dB
  e2   1.0000   -3.00dB
142f   f1   1.0000   -0.97dB
  f2   0.5000   -7.00dB
142g   g1   1.0000   -3.00dB
  g2   1.0000   -3.00dB
142h   h1   1.0000   -0.97dB
  h2   0.5000   -7.00dB
对从输入端102a和102b到达天线单元148U1到148L6的信号的所有贡献(例如c1.(a1.A+b1.B))经相同数量和类型的组件传递：即，每个贡献经包含三向分离器、混合电路、双向分离器、另一混合电路和固定移相器的路径传递。无需相位填充(phase padding)组件，即无需进行校正以使不同路径中相移不一致的附加组件。每个路径中使用两个分离器使分离比率适中：由于如上所述，希望分离器比率不超过9.5dB，因此，这是有用的。
三向分离器106a和106b主要设置振幅锥度，并且双向分离器142c到142h主要设置相位锥度：此处“锥度”表示跨天线单元148U1到148L6的振幅或相位分布。通过重复功能方框，网络140的设计是对称的，并且便于进行相对容易的优化。通过更改分离器和混合电路的数量，它还可容易地适用于天线中不同数量的天线单元。顾及阵列140中天线单元的数量，它具有相对少的分离器。
图8a是由网络140为天线148上半部中的天线单元148U1到148U6产生的驱动信号的矢量图：为方便起见，忽略了移相器146U1到146L6的影响。诸如160、162和164的水平、垂直和倾斜箭头分别指示同相分量、正交分量和实际的天线单元信号矢量。诸如在166的带圆圈的数字1到6指示相邻的信号矢量分别与天线单元148U1到148U6相关联。通过使每个垂直箭头162从水平轴168向下延伸而不是向上延伸，即通过在水平轴168的映像(reflection)产生信号矢量164的相应镜像，可获得用于天线148下半部中的天线单元148L1到148L6的驱动信号的等效矢量(未示出)。图8a示出网络140产生具有跨天线148正确行进的相位的天线单元驱动信号。在选择对应于倾斜时最大可允许旁瓣电平的最大倾角时，获得天线148的最佳性能。分离器比率随后经选择来为此最大倾角给出线性相位波前。
图8b是对应于图8a的完整矢量图，但示出整个天线阵140的由诸如169的实线箭头指示的天线单元驱动信号矢量。
现在参照图9到图12，图9示出单个180度混合电路182的布置180，该电路接收具有两个相等振幅电压Va和Vb的A与B输入，其间具有相对相移φ。通过在输入端184利用单个电压V、在186将它分离成两个相等的电压、并使结果电压之一通过可变移相器188，获得这些电压。混合电路182由输入信号A与B生成和与差输出信号A+B和A-B。
图10是矢量+A、+B、-B、A+B和A-B的矢量图，后两个矢量为点划线。由于A和B相等，+A、+B和-B可示出为圆200的半径，圆200是矢量+A、+B和A+B组成的三角形的外接圆。矢量+B和-B相等且相反，一起提供圆200的直径，并且根据几何学，在该圆上的其它点如原点O，直径对着直角。然而，矢量A+B和A-B将原点O连接到+B/-B直径的相应端，因此，矢量A+B和A-B在其之间具有直角(或90度相对相移)，而不考虑+A与+B之间的相位差值φ。
图11示出A+B与A-B(点划线)的相对幅度如何随相对相位差φ从-180度调整到0再到+180度而变化：A+B以正弦方式从0变到1再到0，并且A-B以余弦方式从1变到0再到1。图12示出A+B和A-B(点划线)的相位如何随φ从-180度调整到0再到+180度而变化：A+B从-90度变到+90度，并且A-B最初从在φ＝-180度的0变到在φ＝0的+90度，并随后在通过0时迅速移到-90度并之后在φ＝+180度平滑地变化到0。
本发明提供如下的电倾斜控制。如上所述，图6中每个天线单元148U1等的驱动信号是可写为P+jQ的矢量。当输入矢量A与B(或电压Va与Vb)之间的相位差为零、即φ＝0时，如图11所示，所有混合电路110等的差输出A-B也为零。因此，在天线未倾斜时，所有天线单元148U1等的驱动信号具有相同的相位，即“未倾斜”相位，并且在P+jQ中Q＝0。
在A与B矢量之间的相位差增加时，图11示出混合电路的差输出增大而和输出减小。Q的值因此增大而P的值减小。因此，每个天线单元148U1等的驱动信号的相位角更改。通过对逐渐越靠近中心线150的天线单元(例如148U1/148L1)为P采取逐渐越小的值，并且对逐渐越远离中心线150的天线单元(例如148U6/148L6)为P采取逐渐越大的值，实现跨天线单元逐渐增加的相位波前。因此将一部分天线驱动功率从天线148的中心传送到其末端。这通过适当连接混合电路110到114的输出而实现。
因此，在图5中，第一、第二和第三混合电路的中心混合电路112将信号馈入在示出为虚线的天线中心与天线124末端单元124U3/124L3之间中间位置的天线单元124U2和124L2，而其它两个最左侧混合电路110和114，每个“互换”A-B差输出，即连接到接收另一(114或110)混合电路的A+B输出的第四或第六混合电路116或120。此布置将同相功率(P矢量分量)从中心移到天线124的末端，实现了行进的相位波前。
图11示出混合电路差输出的相位根据矢量A与B之间的相位差为正或负而更改180度。这确保无论天线是向上或向下倾斜跨天线均存在行进的相位波前。
描述的本发明实施例使用180度混合电路。它们可替换为例如90度“正交”混合电路并添加90度移相器以获得相同的整体功能，但这不太实际。
在传输中的操作方面对参照图3到图12所述的本发明的示例进行了论述。然而，所有组件均是可逆的，并且那些示例还可作为接收器操作。混合电路和移相器是可逆的，并且在接收时根据需要分离器反过来变为重新组合器。

Claims (18)

1.一种电倾斜可控、包括具有多个天线单元(124U1到124L3)的天线(124)的相控阵天线系统，其特征在于所述系统(40)具有：
a)用于提供两个其间具有可变相对延迟的基本信号的部件(46)，
b)用于将所述基本信号分割成信号分量的分离部件(106a、106b)，
c)用于将所述信号分量转换成变换的分量的相位到功率转换部件(110到114)，所述变换的分量具有随所述相对延迟变化而变化的功率，以及
d)用于将所述变换的分量转换成天线单元驱动信号的功率到相位转换部件(116到120)，所述驱动信号具有在所述天线(124)电倾斜时跨所述天线(124)从一个天线单元(例如124U1)到另一天线单元(例如124U2)逐渐变化并且随所述相对延迟变化而单独变化的相位。
2.如权利要求1所述的系统，其特征在于所述相位到功率转换部件是多个用于提供信号分量对的和与差的混合射频耦合装置(“混合电路”)(110到114)，每对具有来自两个基本信号的信号分量。
3.如权利要求1所述的系统，其特征在于所述相位到功率转换部件是多个用于提供信号分量对的和与差的180度混合电路(110到114)，每对具有来自两个基本信号的信号分量。
4.如权利要求3所述的系统，其特征在于每对具有幅度相等的信号分量，但每对的分量幅度不等于另一对的分量幅度。
5.如权利要求3所述的系统，其特征在于所述混合电路是第一混合电路(110到114)，并且所述功率到相位转换部件包括多个用于生成天线单元驱动信号的第二混合电路(116到120)。
6.如权利要求5所述的系统，其特征在于所述分离部件是第一分离部件(106a、106b)，并且所述功率到相位转换部件(116到120)包括用于将所述和与差分割成分量以输入到所述第二混合电路(1444到1449)的第二分离部件(142c到142h)。
7.如权利要求6所述的系统，其特征在于所述第一分离部件(106a、106b)用于将每个所述基本信号分割成三个信号分量。
8.如权利要求6所述的系统，其特征在于所述第二分离部件是多个双向分离器(142c到142h)。
9.如权利要求1所述的系统，其特征在于安排它使得从基本信号供应延伸到天线单元的所有路径包含相同数量和类型的分量。
10.一种控制包括具有多个天线单元(124U1到124L3)的天线(124)的相控阵天线系统(40)电倾斜的方法，其特征在于所述方法包括以下步骤：
a)提供两个其间具有可变相对延迟的基本信号，
b)将所述基本信号分离成信号分量，
c)将所述信号分量转换成变换的分量，所述变换的分量具有随所述相对延迟变化而变化的功率，以及
d)将所述变换的分量转换成天线单元驱动信号，所述驱动信号具有在所述天线(124)电倾斜时跨所述天线(124)从一个天线单元(例如124U1)到另一天线单元(例如124U2)逐渐变化并且随所述相对延迟变化而单独变化的相位。
11.如权利要求10所述的方法，其特征在于使用多个用于提供信号分量对的和与差的混合电路(110到114)实施步骤c)，每对具有来自两个基本信号的信号分量。
12.如权利要求10所述的方法，其特征在于使用多个用于提供信号分量对的和与差的180度混合电路(110到114)实施步骤c)，每对具有来自两个基本信号的信号分量。
13.如权利要求12所述的方法，其特征在于每对具有幅度相等的信号分量，但每对的分量幅度不等于另一对的分量幅度。
14.如权利要求12所述的方法，其特征在于所述混合电路是第一混合电路，并且使用多个用于生成所述天线单元驱动信号的第二混合电路(116到120)实施步骤d)。
15.如权利要求14所述的方法，其特征在于步骤b)中的分离是第一分离，并且在步骤d)中实施第二分离来将所述和与差分割成分量以输入到所述第二混合电路(116到120)。
16.如权利要求15所述的方法，其特征在于所述第一分离将每个所述基本信号分割成三个信号分量。
17.如权利要求15所述的方法，其特征在于所述第二分离是多个双向分离。
18.如权利要求10所述的方法，其特征在于从基本信号供应延伸到天线单元(124U1到124L3)的所有路径包含相同数量和类型的分量。
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