CN2800506Y - 用于可转接的天线阵的校准装置 - Google Patents

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CN2800506Y CNU032081340U CN03208134U CN2800506Y CN 2800506 Y CN2800506 Y CN 2800506Y CN U032081340 U CNU032081340 U CN U032081340U CN 03208134 U CN03208134 U CN 03208134U CN 2800506 Y CN2800506 Y CN 2800506Y
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Abstract

用于可转接的天线阵的校准装置，其特征为具有以下改进：给射束整形网络(17；17′)上具有的许多输入点(19)中的至少两个输入点(19.1、19.2、19.3、19.4)同时和/或共同地和/或同相位地供电；为了产生中间射束(20)或其他不同方位的发射方向，辐射器事先这样地调整，使得在接通至少两个输入点(19.1、19.2、19.3、19.4)时产生的单个射束(16、116)可相位正确地叠加。

Description

用于可转接的天线阵的校准装置
技术领域
本发明涉及一种用于可转接的天线阵的校准装置，以及一相应的运行方法。
背景技术
这种类型的天线阵(多振子天线)通常包括多个一次辐射器，但是至少两个并排和重叠设置的辐射器，使得形成一种两维方阵布局。这种也称为“智能天线(Smart-Antennen)”的已知天线阵例如也用在军事领域中，以跟踪目标(雷达)。但是近来这种天线也越来越多地用在移动通讯中，特别是在800MHz至1000MHz及1700MHz至2200MHz的频率范围内。
现在通过开发新的一次发射系统也可以实现双极化天线阵结构，特别是具有相对于水平线或铅垂线+/-45°的极化方向。
这种类型的天线阵，不管它基本上由双极化的还是仅仅由单极化的辐射器组成，都一样，都可以用来确定到达的信号的方向。但同时也可以通过输入各个列(Spalte)的发射信号相位的相应调整来改变发射方向，亦即进行可选择的射束整形。
这种不同水平方向的天线取向例如借助于一射束整形网络(beam-forming-network)进行。这种类型的射束整形网络可以例如由一所谓的Butler矩阵组成。它例如具有四个输入点和四个输出点。根据接通的输入点的不同，网络在各偶极子排中产生另外一个、但是恒定的辐射器之间的相位关系。这种类型的带有Butler矩阵的天线结构例如由这一类型的文献US 6,351,243所知。
由上述美国专利已知的天线阵具有例如四个沿垂直方向分布的并在水平方向并排排列的列，在它里面分别相互重叠地安装四个辐射器或辐射器装置。四个用于分别设置在一个列内的辐射器的输入点(下面有时也称为列输入点)与一连接在前面的Butler-矩阵的四个输出点连接。Butler-矩阵例如具有四个输入点。这个连接在前面的Butler-矩阵形式的射束整形网络通常根据接通的输入点的不同，也就是说，要看连接电缆与四个输入点中的哪一个连接，在四个列中产生另外一个、但是恒定的辐射器之间的相位关系。因此确定主发射方向，从而还有主射束的四个不同取向，也就是说换言之可以将主发射方向调整到在水平平面内的不同角度位置。此外，当然天线阵原则上也可以配备下倾装置，以便进一步改变主发射方向以及主射束的发射角度。
但是这种类型的采用相应地连接在前面的例如Butler-矩阵形式的射束整形网络的天线阵原则上存在两个主要问题。其一是主发射方向沿方位角方向的调整只能按规定的步骤进行，这些步骤通过相应于输入点数量的不同接线规定。因此在一例如具有四个输入点和四个输出点的Butler-矩阵时在天线阵上只能调整四个不同的方位角。
其次倘若这里调整非常复杂的话，那么在前面连接一用于方向形成的Butler-矩阵时存在一个特殊的问题。因为根据Butler-矩阵相位是不统一的。此外天线的许多一次辐射器得到一个信号分量，它与接通Butler-矩阵的那个输入点无关。
发明内容
因此本发明的目的是，这样地创造一种用于可转接的天线阵的校准装置，特别是用于带一连接在前面的例如Butler-矩阵形式的射束整形网络的天线阵的校准装置，使得通过天线阵在方位角方向更好的校准可以毫无问题地用更大数量的关于发射方向的不同角度进行调整。其次本发明的目的是，创造一种用来运行相应天线阵的相应的运行方法。
为此，本申请提出一种用于可转接的天线阵的校准装置，此天线阵包括至少一个带有至少两个垂直的列的天线阵，所述列具有尤其是分别相互重叠设置的多个辐射器，天线阵还带有一连接在输入点之前的尤其是Butler-矩阵形式的射束整形网络，其输出点分别与天线阵的一个相配的输入点连接，由此给设置在列内的辐射器供电，其中，射束整形网络根据接通的输入点的不同而产生设置在各个列内的辐射器之间的另外一种但是尤其是恒定的相位关系，以达到在方位角方向的不同发射方向，其特征在于，还具有以下特点：给射束整形网络具有的许多输入点中的至少两个输入点同时和/或共同地和/或通过一共同的供电电缆供电，为了产生中间射束或其他不同方位角的发射方向，辐射器事先这样地调整，即，使得在接通至少两个输入点时产生的各个射束可相位正确地叠加，为了进行校准，还设有探测器和/或耦合装置，它们设置在射束整形网络之后。
意想不到的是，按照本发明现在起用公知的例如Butler-矩阵形式的射束整形网络可以实现：与例如规定的四个不同输入点(通过它们天线可以调整到四个不同的沿方位角方向的发射角)无关地使天线阵在方位方向方面调整到其他附加的角度取向。按照本发明由此可以实现：例如Butler-矩阵形式的射束整形网络的至少一个输入点，但尤其是这个网络的至少两个输入点，以相应地调整和校准的相位供电，对此按照本发明可以例如产生中间射束。也就是说由此天线阵的发射方向相对于规定的主要角度可以调整到附加的中间角度。
但是按照本发明，这只有在事先进行通过Butler-矩阵供电的辐射器的相位调整，从而使在例如两个输入点接通时单个射束相位正确地叠加，才有可能。
这最好通过这样的方法来实现，即，至少对于设置在天线阵的一些列内的辐射器在例如Butler-矩阵形式的射束整形网络的输入点之前相位这样地偏移，使得在同时接通多个输入点时相应地控制供给的辐射器，以实现所希望的射束偏转。
在带有四个列和各四个辐射器或辐射器组的4×4天线阵时最好所有辐射器的相位同时相应地偏移。
相位的校准最好通过相位调节器进行，它们连接在Butler-矩阵相应输入点的前面。作为另一种选择，也可以通过采用连接在前面的通向Butler-矩阵的辅助导线进行，导线必须选择合适的长度，以实现希望的相位调整。
此外，在天线阵本身上安装相应的探测器，通过它们可接收相应的校准信号，以借助于校准网络进行相位调整，这样是有利的。
最后，通过这样的方法还可以达到进一步的改进，即联接网络包含有易损耗的部件。因为这些部件有利于减小共振。
虽然各个列的输入点或天线输入点的发射相位最好一样大，但是这里在实际上的相位(或组传递时间)与理想相位相比或多或少具有与公差相关的偏差。理想相位通过这样的方法给定，即，对于所有线路，而且也关于射束整形相位都是一样的。与公差有关的或大或小的偏差附加地作为补偿或者与频率有关地由不同的频率响应产生。这里，按本发明建议，偏差在所有传输线路上尤其是从天线阵或射束整形网络的输入点到探测器输出点或从输入点到探测器输出点的路程上、最好是在整个运行频率范围内测量(例如在生产天线时)。在采用耦合装置的情况下，传输线路最好在从天线阵输入点或射束整形网络到耦合输出点的路程上测量。然后，求出的这些数据可以储存在一数据组内。然后这些适当形式的例如储存在一数据组内的数据可以提供给一辐射器装置或基站，以便考虑用来以电子方法产生各个信号的相位。例如将这些数据或具有相应数据的所述数据组列入天线的序号，这样特别有利。
附图说明
下面借助于实施例对本发明作较详细的说明。其中具体表示：
图1：按本发明的带有画出的用于校准装置的探测器的天线阵的示意俯视图；
图2：沿一通过在图1中所示天线阵的列的垂直平面的示意局部垂直横剖视；
图3：通过一组天线借助于一Butler-矩阵产生的四个典型的水平曲线图的图示；
图4：用来说明在各个列内的辐射器之间在进行校准之前的相位关系的图表；
图5：一相应于图4的进行校准以后的图表；
图6：相应于图3的天线阵典型的水平曲线图的图示，由此可以看到，按本发明可产生其他中间射束；
图7：一采用耦合装置的带有联接网络的校准装置；
图8：在图7基础上扩展的带有两个极性，例如相对于水平线+45°或-45°布置，的天线校准装置；
图9：一相应于图7的校准装置的图示，然而不采用耦合装置，而是采用探测器(它们可以在制造厂内便装在天线阵上)。
具体实施方式
图1中以示意俯视图表示一天线阵1，它包括例如许多双极化的辐射器或发射元件3，它们设置在反射体5前面。在垂直纵侧面上反射体5可以设有一属于反射体的边界5′，它相对于反射器板平面成一角度直至一直角。这些反射器边界5′常常向发射方向略微向外倾斜地配置。
在所示实施例中，表示天线阵有四个列7，它们垂直设置，其中在所示实施例中在每个列内重叠设置四个辐射器或辐射器组3。
在按图1和2的天线阵中总共设有四个列，其中每个列内分别沿垂直方向重叠安装四个辐射器或辐射器组3。各个辐射器或辐射器组3在每个列内不是非得安装在同一高度上不可。最好例如在每两个相邻列的辐射器或辐射器组3相互错开两个相邻辐射器之间的垂直距离的一半设置，与此不同在图1中的示意俯视图内表示这样的视图，在该视图中相邻列内的辐射器或辐射器组3分别位于同一高度线上。
在图1和2中所示的双极化天线中，辐射器3例如由十字形偶极子辐射器或正方形偶极子组成。例如由WO 00/39894所知的双极化偶极子辐射器3′特别合适。这份公开文献中的公开内容完全地加以采纳并作为本专利申请的内容。
最后，在图1中还设有一射束整形网络17，它例如具有四个输入点19和四个输出点21。射束整形网络17的四个输出点与天线阵的四个输入点15连接。输出点的数量N可以不同于输入点的数量n，亦即特别是输出点的数量N可以大于输入点的数量n。在这种类型的射束整形网络17中，例如一供电电缆连接在输入点19之一上，通过它所有输出点21都相应地通电。例如当供电电缆23连接在射束整形网络的第一个输入点19.1上时，那么可以造成一例如向左-45°的水平辐射器取向16.1，如由按图3的示意曲线图所见。如果供电电缆23连接在最右面的接线柱19.4上，那么造成一天线阵射线场主射束16的向右+45°角度的相应取向16.4。相应地，如果供电电缆连接在接线柱19.2或19.3上，那么天线阵可以这样地运行，从而相对于天线阵的垂直对称平面可以造成例如一向左或向右15°的偏转16.2、16.3，也就是说朝向不同的方位角方向。
因此在这种类型的射束整形网络17中通常对于天线阵主射束16的不同方位角取向设有相应数量的输入点，其中输出点的数量通常相当于天线阵列的数量，其中每个输入点与许多输出点连接，通常每个输入点与射束整形网络的所有输出点连接。
射束整形网络17例如可以是一已知的Butler-矩阵17′，其四个输入点19.1、19.2、19.3、19.4分别与所有输出点21.1、21.2、21.3和21.4连接，对此通过导线35给辐射器3供电。
但是如果对于例如Butler-矩阵17′形式的射束整形网络，它原则上可以按图3不同地调整主射束方向16，这时希望，还应该可以调整到其他方位角的主射束方向，那么这基本上是无法实现的。因为通过供电电缆23与输入点19.1至19.4之一的连接只能分别实现相应于图3的主射束方向的一个取向。
但是为了除了按图3的曲线图之外还可以调整中间主射束16或者说中间位置或其他角度，则需要：使供电电缆23通过一分叉部位或加法环节26与输入点19.1至19.4中的不仅一点输入点，而是至少两个或更多输入点连接。
但是仅仅这样还不能得到实用的结果。也就是说，只有首先在Butler-矩阵之前，亦即射束整形网络17之前进行相应的相位调整，从而使各个射束能正确地叠加，在按图3的曲线图的“空缺”内才能相应地产生其他中间射束。
为此，首先必须进行Butler-矩阵和接通的天线阵的校准。这首先需要测量射束整形网络17(尤其是Butler-矩阵17′形式的网)的输出点21.1至21.4处的相位分布，而且是根据通过Butler-矩阵17′的输入点19.1、19.2、19.3和19.4的供电信号的输入。根据所接通的输入点19.1至19.4的不同，Butler-矩阵17′形式的射束整形网络17由于偶极子或偶极子排亦即辐射器不同的相位常数而产生不同的发射图形。例如在辐射器3、3′垂直设置在四个列7内时产生四个不同的水平图形。在各个列内的辐射器的相位关系按图4的图表得出。
在按图4的图表中，下面用罗马数字I至IV表示四个输入点19.1至19.4。在Y轴上分别确定相对的相位关系或相位差(例如以度为单位)。然后得到由按图4的图表表示的四条直线形的测量曲线。
在采用双极化辐射器3′举例说明的双极化天线时，在不同极化的一次辐射器3、3′之间可能出现例如180°的相位突跳。
现在为了进行例如Butler-矩阵17′形式的射束整形网络17的所有输入点19.1至19.4的相位调整，在图4中所示的测量曲线(直线)必须按箭头28这样地改变其位置，即使两条上面的直线30和32形状的测量曲线与两条在图4中位于下面的走向较陡的测量曲线34和36相交于一共同的交点X，如图5中所示。
换言之，现在起必须通过例如适当的相位调节器，在所示实施例中要不对输入点19.1和19.4要不对输入点19.2和19.3进行相应的相位调整，以便得到按图5的共同交点。这可以假如根据按图1的图示通过相位调节器37进行，它们连接在Butler-矩阵17′的输入点19.1至19.4的前面，从而得到整个线路的输入点A至D。代替图1中所示的相位调节器37，可以在各个输入点19.1至19.4前面连接相应长度的附加电缆，其长度这样确定，以便得到希望的相位偏移。
在进行这种类型的相位调整后，现在可以产生中间射束116，如借助于按图6的图表对于输入点19.1和19.2或19.2和19.3或19.3和19.4连接在一起的情况所表示的那样。最好所有输入点用相同的功率供电。
现在上述所希望的校准可以通过按本发明的结构用很少数量的探测器或耦合装置进行。在现有技术中，这种类型的校准装置安装在射束整形网络的输入端。而在本发明范围内建议，直接在各个列上进行耦合。这可提供更高的精度，因为这里Butler-矩阵的误差已经校准排除，而还可以节省所需要的耦合装置的数量。
这里图7表示用于输入导线的相位调整，也就是用来进行相位校准的装置。用Butler-矩阵17′的相位调节器进行对于中间射束116的所述相位调整，因此它可以通过输入点A和B、B和C或C和D的结合有利地用在天线输入导线上，而不需其他措施。
现在在输出点21.1和21.4(或21.2和21.3)设置两个尽可能一样的耦合器111，它们各自输出耦合相应信号的一小部分。在联接网络27(这里它是一个“联结器”，图中简化为“Comb”)内输出耦合的信号相互叠加。信号输出耦合和叠加的结果可以通过附加的接头S在联接网络27上测量。
现在为了通向Butler-矩阵17′的输入导线的相位调整，例如在输入点A的输入导线上发出一适当的校准信号亦即一已知信号并在联接网络(Comb)的输出点S处测量绝对相位。现在这也可以对于输入点B、C和D的输入导线进行。
如果通向输入点A至D的输入导线精确地(电学)等长(此外也可以看作相同)，那么在组合网络的输出点分别得到相同的绝对相位，亦即在交替接通输入点A至D时输出点S上无相位差。
在通向接线柱A至D的输入导线相同时显示相同的相位值，这种状况可通过在输入点对于中间射束116的相位调整实现，因为通过这个措施输出点21.1和21.4或21.2和21.3(也就是在其上安装耦合器的输出端上)的相位之和相对于输入点A至D始终准确地得到四条直线的交点X的两倍的数值，如在图5中所示。
由按图7的视图可以看出，耦合器111最好连接在天线阵附属的列7的各输出点21和各输入点15之间。也就是说耦合器原则上必须连接在一体设置在Butler-矩阵17′内的网络和在一天线阵附属的列7内的至少一个辐射器3、3′之间。
图8表示，对于具有两个极性例如+45°和-45°的天线，用于输入导线相位调整的网络可以怎样组合。如果例如Butler-矩阵连同耦合器和联接网络可以在一个板坯上实现，那么这种组合是有意义的，因为由此可以制造完全相同的单元(各一个耦合器和联接网络)。
相对于按图7的图示的扩展通过这样的方法进行，即，各个例如联接器(Comb)形式的联接网络的两个输出端与连接在后面的同样是联接器(Comb)形式的第二个联接网络27″的输入端合并，并接在共同的输出端S上。也就是说联接网络27用来确定发射元件上关于一个极性的相位，其中联接网络27′用来确定有关辐射器关于另一个极性的相位。
仅仅为了完整性起见，还应该提到，在射束整形网络17也就是假如Butler-矩阵17′输入点上的相位调节器原则上可以这样调整，使得用一个矩阵输出点上的唯一的耦合器就足够了，并且尽管如此，与输入点A至D无关地始终测量同一个相位。这里相位调节器也可以由原则上连接在前面的导线段组成，以改变相位。
同样当然还可以在所有四条导线35上分别设一例如定向耦合器形式的耦合器111，以便得到为了实现在按图4和5的图表中所示的直线的更多的测量部位。
但是也可以采用探测器11代替所述耦合器111，探测器例如设计成销子形，并最好从反射器板5的平面内直角形突起，并在这里配设于某一的辐射器3。探测器11优选由电容式耦合销钉组成。但是它们也可以由电感式工作的耦合回线构成。在这两种情况下探测器11从反射器伸入辐射器的近场。所述探测器11也可以用于双极化的辐射器3′，因为对此可以测量两个极性。在图1中例如对于左、右列给各个位于最下面的辐射器3、3′分别配设一个这种类型的在俯视图中表示的探测器11和11b。然后用这种探测器代替在图7和8中所示的定向耦合器11，以便使与此有关的测量信号在联接网络27内或在双极化天线的情况在一联接网络27′和27″内进行处理。在图9中表示一联接网络27，它用两个探测器11，亦即11a和11b工作。
当然，这里原则上也可以采用四个探测器，也就是说设置和列一样多的探测器。原则上也可以考虑仅仅用唯一的一个探测器，以便由此确定在各个列内的辐射器的确切规定的相位关系。
联接网络适用于单极化天线。它们原则上也适用于双极化的天线阵。这里特别适合于采用探测器11，因为单独一个探测器足以配置一个双极化的辐射器装置，这是因为通过它可以接收两个极性的所希望的分信号。在使用耦合装置的情况下，对于每个极性则必须应用一个耦合装置，也就是说对于双极化天线阵，代替一个探测器需要使用一对耦合装置。

Claims (19)

1.用于可转接的天线阵的校准装置，此天线阵包括至少一个带有至少两个垂直的列(7)的天线阵(1)，所述列具有尤其是分别相互重叠设置的多个辐射器(3、3′)，天线阵还带有一连接在输入点(15)之前的尤其是Butler-矩阵(17′)形式的射束整形网络(17)，其输出点(21)分别与天线阵(1)的一个相配的输入点(15)连接，由此给设置在列(7)内的辐射器(3、3′)供电，其中，射束整形网络(17)根据接通的输入点(19.1至19.4)的不同而产生设置在各个列(7)内的辐射器(3、3′)之间的另外一种但是尤其是恒定的相位关系，以达到在方位角方向的不同发射方向，其特征在于，还具有以下特点：
-射束整形网络(17；17′)具有的许多输入点(19)中的至少两个输入点(19.1、19.2、19.3、19.4)是同时和/或共同地和/或通过一共同的供电电缆(23)供电的，
-辐射器(3、3′)是事先调整好的，即进行了用以产生中间射束(20)或其他不同方位角的发射方向的调整，在接通至少两个输入点(19.1、19.2、19.3、19.4)时产生的各个射束(16、116)可相位正确地叠加，
-还设有用以进行校准的探测器(11)和/或耦合装置(111)，它们设置在射束整形网络(17)之后。
2.按权利要求1的用于可转接的天线阵的校准装置，其特征为：在射束整形网络(17、17′)前面连接有借以实施相位偏移的相位调节器(37)。
3.按权利要求1的用于可转接的天线阵的校准装置，其特征为：在尤其是Butler-矩阵(17′)形式的射束整形网络(17)前面的各个选定的输入点(19.1、19.2、19.3、19.4)之前可连接规定长度的附加导线，由此可实现所有输出点(21)的相位调整。
4.按权利要求1的用于可转接的天线阵的校准装置，其特征为：设有一用以对设置在不同列(7)内的辐射器(3、3′)进行相应的相位调整的校准网络(27、27′、27″)。
5.按权利要求1的用于可转接的天线阵的校准装置，其特征为：至少一个列尤其是至少两个列(7)分别包括至少一个探测器(11)，所述探测器分别配设于一个辐射器(3、3′)，由此在校准阶段可给一校准网络(27、27′、27″)输入一分信号，从而可确定相位调整。
6.按权利要求1的用于可转接的天线阵的校准装置，其特征为：至少一个列尤其是至少两个列(7)具有至少一个耦合装置(111)，所述耦合装置配设于一个辐射器(3、3′)，由此在校准阶段可输入一用来输入一校准网络(27、27′、27″)的分信号，从而可确定相位调整。
7.按权利要求6的用于可转接的天线阵的校准装置，其特征为：耦合装置(111)最好设置在射束整形网络(17、17′)的各个输出点(21)以及天线阵(1)的相配的输入点(15)之间。
8.按权利要求1至7之任一项的用于可转接的天线阵的校准装置，其特征为：校准装置设置在射束整形网络(17、17′)和辐射器(3、3′)之间。
9.按权利要求1至7之任一项的用于可转接的天线阵的校准装置，其特征为：所述这个或这些探测器(11)设置在辐射器(3、3′)的近场内。
10.按权利要求1至7之任一项的用于可转接天线阵的校准装置，其特征为：所述这个或这些探测器(11)由电容式探测器或小的感应回线形式的电感式工作的探测器(11)组成。
11.按权利要求6的用于可转接天线阵的校准装置，其特征为：对于双极化天线阵的情况，至少一个列尤其是至少两个列(7)分别设有至少一对耦合装置(11)，也就是说对于每个极性均设一个耦合装置。
12.按权利要求1至7之任一项的校准装置，其特征为：对于双极化天线阵，所设置的一个或多个探测器(11)分别适合于接收两个极性中的一个信号。
13.按权利要求1至7之任一项的校准装置或天线阵，其特征为：每个列(7)仅仅对于一个辐射器(3、3′)设置一个探测器(11)或一个耦合装置(111)或一对耦合装置(111)。
14.按权利要求1至7之任一项的校准装置或天线阵，其特征为：仅仅对于列(7)的一部分各自设置尤其是仅仅一个探测器(11)或仅仅一个耦合装置(111)或仅仅一对耦合装置(111)，它们配备于至少一个辐射器(3、3′)。
15.按权利要求1至7之任一项的校准装置或天线阵，其特征为：所述至少一个探测器(11)或多个探测器(11)相对于配设于它的辐射器(3、3′)处于一穿过辐射器(3、3′)分布的垂直对称平面内。
16.按权利要求1至7之任一项的校准装置或天线阵，其特征为：对于具有四个列(7)的天线阵，设置至少两个探测器(11)、两个耦合装置(111)或两对耦合装置(111)，它们分别配设于一个辐射器(3、3′)，这个辐射器设置在天线阵的两个位于外侧的列(7)内。
17.按权利要求1至7之任一项的校准装置或天线阵，其特征为：对于具有四个列(7)的天线阵，最好设置两个探测器(11)、两个耦合装置(111)或两对耦合装置(111)，它们分别配设于一个辐射器(3、3′)，此辐射器设置在天线阵的两个位于内部的列(7)内。
18.按权利要求1至7之任一项的校准装置或天线阵，其特征为：每个列配设于一个发射元件(3、3′)的探测器(11)设置在同一高度线上。
19.按权利要求1至7之任一项的校准装置或天线阵，其特征为：对于天线阵的两个相邻列(7)分别设一探测器(11；11c、11d)，它们最好具有相同的介入衰耗。
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