TWI575812B - 用於波束下傾電控之具有介質板的裂縫陣列天線、基地台天線系統及控制一裂縫陣列天線之一輻射場型之下傾之方法 - Google Patents

用於波束下傾電控之具有介質板的裂縫陣列天線、基地台天線系統及控制一裂縫陣列天線之一輻射場型之下傾之方法 Download PDF

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TWI575812B TW104111012A TW104111012A TWI575812B TW I575812 B TWI575812 B TW I575812B TW 104111012 A TW104111012 A TW 104111012A TW 104111012 A TW104111012 A TW 104111012A TW I575812 B TWI575812 B TW I575812B
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Description

用於波束下傾電控之具有介質板的裂縫陣列天線、基地台天線系統及控制一裂縫陣列天線之一輻射場型之下傾之方法 相關申請案之交叉參考
本申請案主張2014年4月6日提出申請之標題為「Slot Array Base Station Antenna with Electrical Control of Down-Tilt Beam」之美國臨時申請案61/975,826之優先權之權益，該美國臨時申請案之內容出於所有目的以全文引用之方式併入本文中。
本發明係關於波導天線，且更具體而言係關於介質負載之波導天線。
基地台天線需要針對其系統之輻射場型控制波束下傾以便使彼等系統之覆蓋區變化。此可變性係必需的，此乃因取決於基地台及所要覆蓋區之位置及高度將需要不同波束下傾角度。圖1圖解說明具有兩個不同度數之波束或輻射場型下傾之一基地台天線系統110。以一第一下傾角度122提供一第一覆蓋區120，且以一第二下傾角度132提供一第二覆蓋區130。需要某種機制來提供針對一基地台天線之波束下傾之校正量。
按慣例，使用兩種不同技術來控制波束下傾。圖2A展示其中以機械方式執行輻射場型之傾斜之一第一習用技術。在此技術中，一系統220包含安置於一機械傾斜平臺225上之一基地台天線222。以一未傾斜定向(實線)及一傾斜定向(虛線)展示系統220。平臺225經實體傾斜以提供覆蓋所要區之一波束下傾。(例如，圖1中所展示之區120或130)。儘管實施起來相對簡單，但系統220產生失真(亦即，天線覆蓋區之不均勻性)，此導致已經由系統220建立之不可靠或丟失之通信鏈路。
安裝工將天線之定向實體調整為指向下。
圖2B展示其中使用一相位陣列天線以電方式執行波束下傾之一第二習用技術。在此技術中，一系統250包含信號分配器252、一堆相移器2541至254n(統稱為相移器254)及一基地台天線256。將一信號施加至信號分配器252之輸入埠252a，且將該信號分配(例如，平等地)於n個分支之間，其中經分配信號中之每一者藉由一對應相移器254相移。將所得經相移信號饋送至基地台天線陣列256中之對應天線，且該等信號共同形成一傾斜輻射場型，如上文在圖1中所展示。波束下傾之度數由施加至信號之相移量控制。此基於電之系統250提供一相對均勻天線覆蓋區且因此避免由機械系統220產生之天線覆蓋模式之失真。然而，電系統250由於一功率分配器252及相移器254組件之使用而遭受經添加成本及複雜性。進一步不利地，此等組件之功率處置能力可限制系統250可傳輸之功率量。
因此，需要一種具有可控制波束下傾之經改良天線陣列。
根據本發明之一項實施例，現在呈現一種裂縫陣列天線，該裂縫陣列天線與習用基於機械之波束下傾天線系統相比提供一較均勻輻射場型，且與習用電控波束下傾天線系統相比提供一較低組件計數及 較高功率處置能力。
該裂縫陣列天線之一例示性實施例包含一波導裂縫主體及一介質板。該波導主體包含界定一波導孔口之一或多個壁，該波導孔口沿著該波導裂縫主體之一縱向軸延伸。該波導裂縫主體包含安置於該波導裂縫主體之一或多個壁上之複數個裂縫。該介質板安置於該波導孔口內且沿著該波導裂縫主體之該縱向軸延伸。該介質板可在該波導孔口內圍繞該縱向軸旋轉。
在一項例示性實施例中，該波導孔口包含一長尺寸及一短尺寸。進一步在此實施例中，該介質板可圍繞該波導裂縫主體之該縱向軸相對於該波導孔口之該短尺寸自0度之一角度旋轉至90度之一角度。進一步在此實施例中，該介質板包含沿著該波導裂縫主體之該縱向軸延伸之一長度尺寸、沿著該波導孔口之該短尺寸延伸之一寬度尺寸及沿著該波導孔口之該長尺寸延伸之一厚度尺寸。該介質板之該寬度尺寸大於或等於該介質板之該厚度尺寸之五倍。
在另一例示性實施例中，一基地台天線系統包含根據前述實施例中之任一者之一裂縫陣列天線。
在另一實施例中，呈現一種用於控制一裂縫陣列天線之一輻射場型之波束下傾之方法。該方法包含提供一裂縫陣列天線，上文闡述了該裂縫陣列天線之例示性實施例。該方法進一步包含圍繞縱向軸且在波導孔口內將介質板定位至一預定義定向角度，其中以該預定義角度定向之該介質板對傳播穿過波導裂縫主體之一信號賦予一預定義相位，藉此提供該裂縫陣列天線之一波束下傾。
根據以下詳細說明及圖式將更佳地理解本發明之此等及其他特徵。
110‧‧‧基地台天線系統
120‧‧‧第一覆蓋區
122‧‧‧第一下傾角度
130‧‧‧第二覆蓋區
132‧‧‧第二下傾角度
220‧‧‧系統/機械系統
222‧‧‧基地台天線
225‧‧‧機械傾斜平臺/平臺
250‧‧‧系統/基於電之系統/電系統
252‧‧‧信號分配器/功率分配器
252a‧‧‧輸入埠
2541-254n‧‧‧相移器
256‧‧‧基地台天線/基地台天線陣列
300‧‧‧裂縫陣列天線
310‧‧‧波導裂縫主體/波導主體/裂縫主體
310a‧‧‧壁/短壁
310b‧‧‧長壁
310d‧‧‧壁/長壁
311‧‧‧波導孔口
311a‧‧‧長尺寸
311b‧‧‧短尺寸
312‧‧‧縱向軸
313a‧‧‧凸緣
313b‧‧‧凸緣
330‧‧‧介質板/板
330a‧‧‧長度尺寸
330b‧‧‧寬度尺寸
330c‧‧‧厚度尺寸/厚度
340‧‧‧定向角度/角度/預定義定向角度/所要定向角度
α‧‧‧定向角度/角度/預定義定向角度/所要定向角度
圖1圖解說明如此項技術中已知之具有兩個不同度數之下傾之一 基地台天線；圖2A圖解說明其中以機械方式執行輻射場型之傾斜之一習用技術；圖2B圖解說明其中以電方式執行波束下傾之一習用技術；圖3A及圖3B分別圖解說明根據本發明之一項實施例之一裂縫陣列天線之剖面圖及等角視圖；圖4A及圖4B分別圖解說明根據本發明之一項實施例之隨介質板之角度定向而變化之由圖3A及圖3B之裂縫陣列天線產生之一輻射場型之仰角及方位角平面；及圖5圖解說明根據本發明之一項實施例之用於控制圖3A及圖3B中所展示之裂縫陣列天線之一輻射場型之波束下傾之一方法。
為清晰起見，後續圖式中所使用之特徵保留先前圖式中所使用之參考索引。
一介質材料在一波導內之存在可影響在該波導內行進之信號之傳播常數，且對應地影響傳播穿過該波導之一信號之相位之一改變。本發明藉由以下操作利用此現象：構造具有一介質板之一裂縫陣列天線，該介質板可沿著該裂縫陣列天線之縱向軸旋轉；及相對於傳播穿過裂縫陣列天線之一信號之電場以不同角度定位介質板以便影響信號之傳播常數且對應地影響其相位。將介質板定位為實質上法向於電場實質上不產生信號之傳播常數及相位之改變，而將介質板定位為實質上與電場平行產生信號之傳播常數及相位之最強改變。使介質板與電場成不同角度可對信號賦予對應不同的相位，且因此可藉由相對於傳播之信號之電場而調整介質板之定向角度而達成一特定下傾。
圖3A及圖3B分別圖解說明根據本發明之一項實施例之一裂縫陣列天線300之剖面圖及等角視圖。裂縫陣列天線300包含一波導裂縫主 體310及一介質板330。波導裂縫主體包含界定一波導孔口311之四個壁310a至310d，且波導孔口311沿著波導裂縫主體310之一縱向軸312延伸。波導裂縫主體亦包含安置於波導裂縫主體之壁310a上之一或多個裂縫320。沿著波導裂縫主體310之一個壁對角地提供裂縫322，如所展示。在此項技術中已知此定向提供一垂直偏振之輻射場型，如共同擁有之美國專利8,604,990中所闡述。在另一實施例中，波導裂縫主體310包含一個壁，例如，在採用一圓形波導作為波導裂縫主體310之情況下。位於接近於其上安置有裂縫322之短壁310a處之凸緣313a及313b自長壁310b及310d延伸。凸緣313a及313b形成裂縫陣列天線之一輻射孔口。功能上，凸緣313a及313b作為一喇叭形天線結構操作且波導主體310及裂縫322作為一饋電結構操作。該等凸緣可用以控制方位角模式，且一較大孔口提供一窄波束及較高增益。
介質板330安置於波導孔口311內，且沿著波導裂縫主體310之縱向軸312延伸。介質板可在波導孔口內圍繞縱向軸旋轉達定向角度α 340，在所圖解說明實施例中，角度α 340在0度與90度之間延伸。更特定而言，波導孔口311包含一長尺寸311a及一短尺寸311b。介質板330可圍繞波導裂縫主體310之縱向軸312相對於波導孔口之短尺寸311b以自0度至90度之一角度α旋轉。
如進一步所展示，介質板330包含沿著波導裂縫主體310之縱向軸312延伸之一長度尺寸330a、沿著波導孔口之短尺寸311b延伸之一寬度尺寸330b及沿著波導孔口之長尺寸311a延伸之一厚度尺寸330c。例示性地，介質板之寬度尺寸330b大於或等於介質板之厚度尺寸330c之五倍。
進一步例示性地，一馬達(未展示)經耦合以使介質板330圍繞縱向軸312旋轉至所要定向角度α 340。另一選擇係，可在波導孔口311內將介質板330手動地設定至定向角度α 340。
波導裂縫主體310、裂縫322及介質板330之尺寸可經定大小以在任何特定頻率或頻率範圍下操作。在下文於圖4A及圖4B中所展示之一例示性實施例中，波導裂縫主體310、裂縫322及介質板330經定大小以在1.95GHz之一中心頻率下操作。例示性地，波導主體310及裂縫322初始地經設計以在一所要頻率下操作且提供輻射場型之一所要仰角平面相位(例如，0度)，且天線經分析以確認此等操作參數。隨後，將一介質板330插入至波導孔口311中，藉此介質板之一表面經定向實質上正交於(亦即，α0)波導之長尺寸311a，沿著長尺寸311a將建立傳播穿過裂縫主體310之一信號之電場。天線之輻射場型之操作頻率及仰角平面隨後經分析以確保：與不具有介質板之天線之操作相比，看出實質上未發生仰角平面相位之改變。若看到此一改變，則可做出數個改變，包含修改介質板之厚度330c或波導裂縫主體310及/或裂縫322之尺寸，以使裂縫陣列天線之仰角平面相位返回至所要相位(例如，0度)。
進一步例示性地，介質板330可與具有一不同介質常數之另一介質板互換。板330之介質常數越大，在介質板自一正交定向(角度α=0度)旋轉成與跨越長尺寸311a建立之設置於波導孔口311內之電場較平行之一定向時，將產生之相位之一改變越大。因此，具有一較大介質常數之一板與一較低介質常數之板相比將能夠提供一較大波束下傾。因此，可由一較高介質常數之板來替換一較低介質常數之板以便提供所需要波束下傾。波導裂縫主體310將不需要修改。
圖4A及圖4B分別圖解說明根據本發明之一項實施例之隨介質板之角度定向而變化之由圖3A之裂縫陣列天線產生之一輻射場型之仰角及方位角平面。例示性裂縫陣列天線包含可在1.95GHz下操作之10個裂縫，且介質板包含一相對介質常數εr=4.0。參考圖4A之仰角平面資料，展示在介質板以角度α=0、30、60及90度定向之情況下之 仰角模式。大約10度之波束之一下傾係藉助一定向角度α=90度來達成。如自圖4B可見，方位角模式僅受板旋轉及所得波束下傾極輕微影響。
如熟習此項技術者將理解，本文中所闡述及所主張之裂縫陣列天線可包含於一基地台天線系統中，諸如圖1中所展示之基地台天線系統。因此，本文中所揭示及所主張之實施例中之任一者可在一基地台天線系統內實施。進一步根據基地台天線系統實施例，可使用一查找表來在所要波束下傾與一對應定向角度α 340之間轉譯。特定而言，查找表可包含對應於一裂縫陣列天線之一所要波束下傾之一第一組項目，及可操作以實質上提供裂縫陣列天線之所要波束下傾之介質板之定向角度之一第二組項目。查找表可包含可幫助選擇板以用於既定用途之其他項目，諸如介質板之功率處置能力。
圖5圖解說明根據本發明之一項實施例之用於控制圖3A中所展示之一裂縫陣列天線之一輻射場型之下傾之一方法500。該方法包含提供根據本文中所揭示及所主張之說明及圖之一裂縫陣列天線。接下來在504處，將介質板圍繞縱向軸定位至一預定義定向角度α 340，其中以該預定義角度定向之介質板對傳播穿過波導裂縫主體之一信號賦予一相位，藉此提供裂縫陣列天線之輻射場型之一下傾。在一例示性實施例中，使用一馬達來定位介質板。在另一例示性實施例中，定位操作包含以下操作：(i)判定一裂縫陣列天線之一輻射場型之一所要波束下傾，(ii)獲得介質板之對應於所要波束下傾之一角度定向，及(iii)控制該介質板達到該角度定向。舉例而言，可建構使一所要下傾與一特定介質板之一定向角度α相關之一查找表。一旦知曉板之定向角度，一馬達即控制該板達到彼定向角度以提供所要下傾。
術語「一(a)」或「一(an)」用於係指由其闡述之一個或一個以上特徵。此外，術語「耦合」或「連接」係指彼此直接或經由一或多個 介入結構或物質通信(以電方式、以機械方式、以熱方式，可視情況而定)之特徵。方法流程圖中所提及之操作及動作之順序係例示性的，且操作及動作可以一不同順序進行，以及操作及動作中之兩者或兩者以上可同時進行。包含於申請專利範圍中之參考標記(若存在)用於指一所主張特徵之一項例示性實施例，且所主張特徵不限於由參考標記所指之特定實施例。所主張特徵之範疇應係由申請專利範圍措辭界定之範疇，就如同參考標記不存在一樣。本文中所提及之所有出版物、專利及其他文件皆以全文引用之方式併入。在任何此類經併入文件與本文件之間有任何不一致使用之情況下，應以本文件中之使用為準。
如熟習此項技術者易於瞭解，所闡述程序及操作可以硬體、軟體、韌體或視情況此等實施方案之一組合來實施。另外，所闡述程序及操作中之某些或所有程序及操作可實施為駐存於一電腦可讀媒體上之電腦可讀指令代碼，該指令代碼可操作以控制其他此種可程式化裝置之一電腦以實施既定功能。其上駐存有指令代碼之電腦可讀媒體可採取各種形式，舉例而言，一可抽換式磁碟、揮發性或非揮發性記憶體等。
已足夠詳細地闡述本發明之前述例示性實施例以使得熟習此項技術者能夠實踐本發明，且應理解可組合該等實施例。所闡述實施例經選擇以便最佳地解釋本發明之原理及其實際應用，以藉此使熟習此項技術者能夠在各種實施例中且以如適用於所構想之特定用途之各種修改最佳地利用本發明。意欲本發明之範疇僅由其隨附申請專利範圍界定。
300‧‧‧裂縫陣列天線
310‧‧‧波導裂縫主體/波導主體/裂縫主體
310a‧‧‧壁/短壁
310b‧‧‧長壁
310d‧‧‧壁/長壁
311‧‧‧波導孔口
311a‧‧‧長尺寸
311b‧‧‧短尺寸
313a‧‧‧凸緣
313b‧‧‧凸緣
330‧‧‧介質板/板
330b‧‧‧寬度尺寸
330c‧‧‧厚度尺寸/厚度
340‧‧‧定向角度/角度/預定義定向角度/所要定向角度
α‧‧‧定向角度/角度/預定義定向角度/所要定向角度

Claims (17)

  1. 一種裂縫陣列天線(300)，其包括：一波導裂縫主體(310)，其具有界定沿著該波導裂縫主體之一縱向軸(312)延伸之一波導孔口(311)之一或多個壁(310a至310d)，該波導裂縫主體(310)包括安置於該波導裂縫主體之一或多個壁(310a)上之複數個裂縫(320)；及一介質板(330)，其安置於該波導孔口(311)內且沿著該波導裂縫主體之該縱向軸延伸，其中該介質板可在該波導孔口內圍繞該縱向軸旋轉。
  2. 如請求項1之裂縫陣列天線(300)，其中該波導孔口(311)包含一長尺寸(311a)及一短尺寸(311b)，且其中該介質板(330)可圍繞該波導裂縫主體(310)之該縱向軸(312)相對於該波導孔口之該短尺寸(311b)自0度旋轉至90度。
  3. 如請求項2之裂縫陣列天線(300)，其中該介質板(330)包括沿著該波導裂縫主體(310)之該縱向軸(312)延伸之一長度尺寸(330a)、沿著該波導孔口之該短尺寸(311b)延伸之一寬度尺寸(330b)及沿著該波導孔口之該長尺寸(311a)延伸之一厚度尺寸(330c)，其中該介質板之該寬度尺寸(330b)大於或等於該介質板之該厚度尺寸(330c)之五倍。
  4. 如請求項1之裂縫陣列天線(300)，其進一步包括經耦合以使該介質板圍繞該縱向軸旋轉至預先定義之一定向角度(α，340)之一馬達。
  5. 如請求項1之裂縫陣列天線(300)，其中該介質板可替換為具有一不同介質常數之另一介質板。
  6. 一種包含一裂縫陣列天線之基地台天線系統，該裂縫陣列天線包括：一波導裂縫主體(310)，其具有界定沿著該波導裂縫主體之一縱向軸(312)延伸之一波導孔口(311)之一或多個壁(310a至310d)，該波導裂縫主體(310)包括安置於該波導裂縫主體之一或多個壁(310a)上之複數個裂縫(320)；及一介質板(330)，其安置於該波導孔口(311)內且沿著該波導裂縫主體之該縱向軸延伸，其中該介質板可在該波導孔口內圍繞該縱向軸旋轉。
  7. 如請求項6之基地台天線系統，其進一步包括一查找表，該查找表包括對應於一裂縫陣列天線之一所要波束下傾之一第一組項目，及對應於可操作以實質上提供該裂縫陣列天線之該所要波束下傾之該介質板之角度定向之一第二組項目。
  8. 如請求項6之基地台天線系統，其中該波導孔口(311)包含一長尺寸(311a)及一短尺寸(311b)，且其中該介質板(330)可圍繞該波導裂縫主體(310)之該縱向軸(312)相對於該波導孔口之該短尺寸(311b)自0度旋轉至90度。
  9. 如請求項8之基地台天線系統，其中該介質板(330)包括沿著該波導裂縫主體(310)之該縱向軸(312)延伸之一長度尺寸(330a)、沿著該波導孔口之該短尺寸(311b)延伸之一寬度尺寸(330b)及沿著該波導孔口之該長尺寸(311a)延伸之一厚度尺寸(330c)，其中該介質板之該寬度尺寸(330b)大於或等於該介質板之該厚度尺寸(330c)之五倍。
  10. 如請求項6之基地台天線系統，其進一步包括經耦合以使該介質板圍繞該縱向軸旋轉至預先定義之一定向角度之一馬達。
  11. 如請求項6之基地台天線系統，其中該介質板可替換為具有一不同介質常數之另一介質板。
  12. 一種用於控制一裂縫陣列天線之一輻射場型之下傾之方法(500)，該方法包括：提供一裂縫陣列天線(300)，該裂縫陣列天線包括：一波導裂縫主體(310)，其具有界定沿著該波導裂縫主體之一縱向軸(312)延伸之一波導孔口(311)之一或多個壁(310a至310d)，該波導裂縫主體(310)包括安置於該波導裂縫主體之一或多個壁(310a)上之複數個裂縫(320)；及一介質板(330)，其安置於該波導孔口(311)內且沿著該波導裂縫主體之該縱向軸延伸，其中該介質板可在該波導孔口內圍繞該縱向軸旋轉；及將該介質板圍繞該縱向軸定位至預先定義之一定向角度(α，340)，其中以預先定義之該定向角度定向之該介質板對傳播穿過該波導裂縫主體之一信號賦予一相位，藉此提供該裂縫陣列天線之該輻射場型之一下傾。
  13. 如請求項12之方法，其中定位該介質板包括使用一馬達使該介質板旋轉至該定向角度。
  14. 如請求項12之方法，其中定位該介質板包括：判定一裂縫陣列天線之一輻射場型之一所要波束下傾；獲得該介質板之對應於該所要波束下傾之一定向角度；及使該介質板旋轉至該定向角度。
  15. 如請求項12之方法，其中該波導孔口(311)包含一長尺寸(311a)及一短尺寸(311b)，且其中該介質板(330)可圍繞該波導裂縫主體(310)之該縱向軸(312)相對於該波導孔口之該短尺寸(311b)自0度旋轉至90度。
  16. 如請求項15之方法，其中該介質板(330)包括沿著該波導裂縫主體(310)之該縱向軸(312)延伸之一長度尺寸(330a)、沿著該波導孔口之該短尺寸(311b)延伸之一寬度尺寸(330b)及沿著該波導孔口之該長尺寸(311a)延伸之一厚度尺寸(330c)，其中該介質板之該寬度尺寸(330b)大於或等於該介質板之該厚度尺寸(330c)之五倍。
  17. 如請求項12之方法，其中該介質板可替換為具有一不同介質常數之另一介質板。
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