天线系统的制作方法

专利名称：天线系统的制作方法
天线系统
本申请是申请日为2002年9月12日的同名中国专利申请 No. 02820866. 8 (PCT/GB02/04166)的分案申请。
本发明涉及天线系统，尤其但不只涉及具有布置在至少两个子阵 中的多个天线元件的相控阵天线系统。该天线系统适用于许多电信系 统，但在通常称为移动电话网络的蜂窝移动无线电网络中获得特別应 用。更具体说，本发明的天线系统可以在第三代(3G)移动电话网络 和通用移动电话系统(UMTS)的情况下使用。
蜂窝移动无线电网络的操作员通常利用他们自己的基站，每个基 站包括一个或多个天线。在蜂窝移动无线电网络中，天线是规定所需 覆盖范围的因素，覆盖范围通常分成若干重叠的小区，每个小区与各 自的天线和基站有关。每个小区都含有与那个小区中的移动无线电设 备通信的固定位置基站。基站它们本身由其它通信手段互连，或是无 线电链路或是固定陆线，并被安排在网或网状结构中，这种结构允许 通过该小区复盖区域移动无线电设备互相通信以及与蜂窝移动无线电 网络外的公共电话网络通信。
在这样网络中所使用的天线经常是称为相控阵天线的复合装置， 它包括多个(通常8个或更多)或阵的单独天线元件或偶极子。通过 调整这些元件之间的相位关系可以改变天线的最大灵敏度方向，即天 线方向图的主辐射束或"瞄准"的垂直或水平方向。这具有允许控制 辐射束以改变天线的覆盖范围的作用。
尤其是，蜂窝移动无线电网络中的相控阵天线的操作员有调整天 线的垂直辐射方向图(VRP)(也称为"倾斜")的要求，因为这对天 线的覆盖范围具有明显的作用。例如，由于网络结构的变化或小区中 的其它基站或天线的增加或移除，会要求覆盖范围的调整。
已经知道天线倾斜角的调整，传统上用天线本身内的机械装置、 电气装置或两者来实现。在机械调整倾斜时，例如通过机械移动天线 元件它们本身或通过机械移动天线支架，这样的调整经常称为"机械 倾斜角调整"。调整机械倾斜角的作用是改变瞄准的位置使其指向或是水平线以上或是水平线以下。在通过调整供给天线元件的信号的相 位而并非物理上移动元件的支架、天线元件它们本身或者天线罩的任 何其它部件来电气上调整倾斜时，这样的调整通常称为"电气倾斜角 调整"。调整电气倾斜角的作用也是改变瞄准的位置使其指向或是水 平线上面或是水平线下面，在这种情况下，通过改变馈送给阵中的每 个元件(或元件组)的信号的时间延迟来实现。
电气倾斜角的机械调整的缺点是，它必须在原位置靠天线的人工 调整来进行。
本发明的目的是提供克服上述问题的改进天线。
在下面的说明中，代替以前术语"天线"使用的术语"天线系统" 说明具有"天线组件"的系统。天线组件是天线元件的阵和用于控制 供给天线组件中的天线元件信号的控制装置。
因而，按照本发明的一个方面提供有一种天线系统。这种天线系
统包括天线组件，它具有电气倾斜角和多个安装在天线栽体上和布 置在至少两个子阵中的天线元件，每个子阵包括一个或多个所说的元 件；控制装置，它用于从远离所说天线组件的位置电气上控制供给至 少一个所说的子阵的信号的相位，其中所说的控制装置包括用于经第 一和第二输入馈源连接到所说的子阵中的各自一个，借此调整供给那
里的信号的相位的相位调整装置；以及附加机械相位调整装置，用于 另外调整供给天线组件的每一个元件的信号的相位。
很便利地，天线组件可以包括第一和第二相位调整装置，所说的 第一和第二相位调整装置中的每一个经各自的第一或第二输入馈源与
所说的子阵中的各自的一个连接，借此调整供给所说的子阵中所说的 各自的一个的信号的相位。
典型上天线栽体可以是天线杆。
在第一实施例中，控制装置可以放置在天线载体的基座处，远离 天线组件。在一个替换的实施例中，控制装置布置在远离天线载体或 天线杆基座的位置，例如几公里外。
控制装置可以包括用于接收单独输入信号的单独口和用将所说的 输入信号分成第一和第二分信号的装置，第一和第二分信号要被供给 所说的第一和第二相位调整装置中的各自的一个。
很便利地，系统还包括用于自动控制与供给所说的阵中的第二个的信号的相位有关的供给所说的阵中的第一个的信号的相位的装置。
在一个优选实施例中，所说的天线组件中的所说的元件被布置在
第一、第二和第三子阵中，而所说的天线系统包括
第一控制装置，它用于控制供给所说的第一子阵的信号的相位，
以及
第三控制装置，它用于控制供给所说的第三子阵的信号的相位，
以及
第二控制装置，它用于自动控制与供给所说的第一和第三子阵的 信号的相位的预定函数有关的供给所说的第二子阵的信号的相位。
很便利地，所说的预定函数是供给所说的第一和第三子阵的信号 的相位的矢量和。
所说的第二控制装置最好可以包括一个组合器单元，用于接收具 有供给所说的第一子阵的信号的相位的第一输入信号和具有供给所说 的第三子阵的信号的相位的第二输入信号，以及用于与供给所说的第 一和第三子阵的信号的相位的预定函数有关地提供输出信号到第二子 阵。
在一个实施例中，预定函数是供给所说的第一和第三子阵的信号 的相位的矢量和。
在另一个优选实施例中，第二控制装置包括至少一个正交组合器 单元，用于接收具有供给所说的第一子阵的信号的相位的笫一输入信 号和具有供给所说的第三子阵的信号的相位的第二输入信号，以及用 于提供到第二子阵的一个元件的第一输出信号和到第二子阵的一个不 同元件的第二输出信号，其中所说的第一和第二输出信号是与第一和 第二输入信号的相位的预定函数有关的。
可以这样配置正交组合器单元，使得正交组合器单元提供的所说 的输出信号的相位是第一和第二输入信号的相位的平均，
可以配置第一控制装置按第一预定数量控制和/或调整供给所说 的第一子阵的所说的信号的相位，并可以配置第二控制装置按第二预 定数量控制和/或调整供给所说的第二子阵的所说的信号的相位，其中 所说的第二预定数量的幅度和/或极性与所说的第一预定数量的幅度 和/或极性不同。
天线组件常规上从所说的第一和第二相位调整装置被供给两个信号馈源中的一个最大的
两端上分离和分配信号的各个信号分配装置。最好是，所说的信号分 配装置中的每一个都包括用于分配信号到一个或多个所说的子阵的分 路器装置。常规上，装备分路器装置基本均匀地来分配所说的信号的 信号强度到所说的子阵，借此增加瞄准增益。
在一个实施例中，至少一个从与第一子阵有关的所说的分配装置 的输出信号与至少一个从与第三子阵有关的所说的分配装置的输出信 号空间组合或重叠，借此提供第一和第二组合输出信号给第二子阵的 第一和第二元件。信号的组合可以只在空中实现和提供可以达到较高
瞄准增益和较低旁瓣水平的进一步的优点，尤其当电气上倾斜系统时。 附加机械相位调整装置可以包括一个可移动电介质元件阵。可以 与有关的电介质元件一起提供到每个阵元件的信号路径，对那个元件 来说是唯一的，或者可以与到阵元件中的另一个的信号路径一起共享 电介质元件。
每个元件具有相关的输入传输线，并且，在一个实施例中，电介 质元件中的每一个都被布置为相对有关传输线的直线移动，以便改变 经所说的传输线供给所说的元件的信号的另外的相移。
替换地，电介质元件中的每一个都被布置为相对有关传输线的旋 转移动，以便改变经所说的传输线供给所说的元件的信号的另外的相 移。
因而，附加机械相位调整装置可以包括用于移动电介质元件的或 是旋转或是直线动作装置。每个附加机械相位调整装置可以是如此相 同的，以致在电介质元件的直线或旋转动作时给供给每个阵元件的信 号提供基本相等数量的进一步的相位调整。替换地，每个附加机械相 位调整装置可以是如此不同，以致直线或旋转动作对到每个元件的信 号产生不同数量的进一步的相位调整。
按照本发明的另一个方面，提供有一种天线系统。这种天线系统
包括
天线组件，它具有多个布置在至少两个子阵中的元件，每个子阵 包括一个或多个所说的元件；
第一控制装置，它用于控制供给所说的子阵中的第一个的信号的相位，以及
第二控制装置，它用于自动控制与供给所说的子阵中的所说的第 一个的信号的相位有关的供给所说的子阵中的另一个的信号的相位。
最好是，将所说的天线组件中的所说的元件布置在第一、第二和
第三子阵中，并且所说的组件包括
第一控制装置，它用于控制供给所说的第一子阵的信号的相位；
以及
第三控制装置，它用于控制供给所说的第三子阵的信号的相位； 其中，布置所说的第二控制装置自动控制与供给所说的第一和第
三子阵的所说的信号的相位的预定函数有关的供给所说的第二子阵的
信号的相位。
很便利地，预定函数是供给所说的第一和第三子阵的信号的相位 的矢量和。
会认识到，如同本发明的第一方面的任选和/或替换所描述的特征 也可以对本发明的另外方面适用。
按照本发明的再另一个方面，提供有一种天线系统。这种天线系 统包4舌
天线组件，它具有多个布置到至少第一、第二和第三子阵中的元 件，每个子阵包括一个或多个所说的元件；以及
控制装置，它用于控制供给所说的子阵中的每一个的信号的相位。 其中，所说的天线组件被供给两个信号馈源中的一个最大的。
如在前面各节件所述的本发明的系统提供若干优于现有系统的优 点。特别是，可以筒单地和迅速地从远离天线组件的地点实现供给天 线组件中的每个子阵的信号的相位的控制和/或调整。已经知道，通过
械调整来调整天线的倾斜角。这样的调整过程是不方便的和劳动强的。 本发明提供这样优点，即，可以用电气装置从远离天线杆的地点调整 倾斜角，例如从在天线杆的基座的基站或控制中心或位于距天线杆几 公里的基站来调整。此外，通过给每个用户提供可独立操作的控制装 置和通过在频率选择组合器设备中组合用户信号，该系统对多用户(即 多操作员)应用是合适的。
本发明也提供这样优点，即，如此控制馈送给每个天线元件的信号的相位和幅度分布，使得提供改进的天线增益和旁瓣水平的控制， 尤其当电气上倾斜该系统时。机械相位调整装置的提供，例如用于进 一步调整供给阵的每个元件的信号的相位，给用户提供调谐垂直辐射 方向图的装置，允许瞄准增益和旁瓣水平的进一步最佳化。
本发明的这方面也提供优于其它已知技术的优点，即，随系统复 杂性和成本的减少可以实现为调整天线组件的电气倾斜所需要的部件
的数目的减少。
为此说明书目的，会认识到，企图措词"用户"意指本发明的系 统的用户(即，系统操作员)，而不是意指用于到/从系统的信号的接 收/发送的电话手机的用户。
现在将只通过例子参照附图来说明本发明，其中，


图1图解已知相控阵天线组件的垂直辐射方向图(VRP); 图2是装有用于调整电气倾斜角的机械装置的已知天线组件的原 理方框图3是按照本发明的双子阵天线系统的第一实施例的原理方框图； 图4是图3的天线系统的实际实现的原理方框图； 图5是利用子阵的空间重叠的替换实施例的三子阵天线系统的原 理方框图6表示替换图5所示的三子阵天线系统的原理方框图； 图7表示图6的天线系统的实际实现的原理方框图； 图8表示另外的替换实施例的五子阵天线系统的原理方框图； 图9表示构成图3到8的系统的一部分的机械相位调整装置的一 个实施例；
图10图解替换图9所示的机械相位调整装置；
图11是表示图10的机械相位调整装置的细节的三子阵天线系统 的另外替换实施例；
图12是表示图9的机械相位调整装置的细节的三子阵天线系统的 另外替换实施例；以及
图13是装有双极性天线组件的按照本发明的系统的替换形式的原 理方框图。
在这些图中，同样的参考数字用于表示类似的部分。在以下说明 中，在适用于蜂窝移动无线电网络，尤其适用于通用移动电话系统(UTMS)的天线系统的范围内来说明本发明。然而会认识到，本发明 不限于这样的使用，对其它通信系统会是同等适用。
图l表示常规相控阵天线组件的垂直辐射方向图(VRP)。该图是 以侧视图表示，天线组件由点1代表。
天线组件的VRP由主瓣或"瞄准"2组成。主瓣随它从天线组件伸 展而在垂直平面内发散，代表天线组件辐射的波束的最大辐射强度区。 天线组件的VRP也包括若干代表低得多的辐射强度区的旁瓣4。旁瓣在 围绕天线组件大约等角间隔开的方向上在垂直平面内伸展。紧邻瞄准2 的旁瓣3被分别称为第一上旁瓣和第一下旁瓣。
在通过物理移动天线元件和/或它们的支架或外壳来机械上调整 天线组件的倾斜角时，天线组件的倾斜角被称为"机械倾斜"角，常 规上它通过改变瞄准的位置使其指向或是水平线以上或是水平线以下 来实现。在被电气上调整时，天线组件的倾斜角被称为"电倾斜"， 它通过改变供给天线中的元件组的信号的时间延迟或相位，而不是通 过元件它们本身的机械移动来向上或向下移动瞄准线。可以通过改变 射频载波的相位来实现时间延迟。假若相位延迟与感兴趣频带上的频 率成比例并具有零截取，那么相位延迟产生时间延迟。因此，相移和 时间延迟是同义的。
注意到这样一点会有益于读者对以下说明的理解。即，"电气倾 斜"和"机械倾斜"都可以或是由电气装置或是由机械装置或者由这 两种装置来控制和/或调整，使得，例如，可以利用部件的机械移动完 成电气相位调整，其中，为调整瞄准位置并不物理移动天线元件它们 本身。
在图2上，用原理方框形式概括地以IO表示装有调整电气倾斜角 的机械装置的已知天线系统的天线组件。该天线组件是由十二个元件 或偶极子El - E12的阵组成的相控阵天线。这十二个元件被布置成标 记为A、 B和C的三个子阵。
每个子阵A、 B、 C包括四个元件，它们互相并联连接并与各自的 第一、第二和第三延迟设备12、 14、 16相耦合。延迟设备12、 14、 16 包括图9和10表示的和下面进一步详细说明的常规机械相位调整机 构。要被天线发射的射频UF)信号被从公用的RF 口或馈线18供给 延迟设备12、 14、 16中的每一个。延迟设备12、 14、 16的功能是按预定数量调整供给各自子阵A、 B、 C的RF信号的相位。连接到中央子阵B的第二延迟设备14是为按固定 数量移动供给子阵B的信号的相位而布置的固定延迟设备。在另一方 面，分别连接到子阵A和C的第一和第三延迟设备12、 16是可变延迟 设备，它们中的每一个是为按可变数量移动分别供给子阵A和C的RF 信号的相位而可操作的。
第一和第三延迟设备12、 16可以典型施加0和±45°之间的相移 到供给子阵A和C的该RF信号上，并借助如图6和7所示的机械装置 20是可调整的。机械装置20包括以22代表地所表示的装置，与由第 一延迟设备12施加的相比较用于反转由第三延迟设备16施加到信号 上的相移的方向。因此，第一和第三延迟设备12、 16施加到RF信号 上的相移在幅度上是相等的，但在极性上是相反的。换句话说，如果 第一延迟设备12按+45。移动供给子阵A的信号的相位，则第三延迟 设备16按-45°移动供给子阵C的信号的相位。虽然第二延迟设备14 是固定的延迟设备，实际上施加了一个相移到供给子阵B的信号上， 这个相移是第一和第三延迟设备12、 16施加的相移的中值。
这样的天线组件的电气倾斜角典型上按对于每子阵±45°相移为 ±5。变化。这给出每电气倾斜度约18°相移的倾斜灵敏度。因而，在 这个例子中，由于供给子阵A和C的RF信号相差90。，天线组件的电 气倾斜约为5° 。天线组件的电气倾斜方向依赖于施加到供给子阵的信 号上的相移的极性。在这种场合，即，到上部子阵(在这种情况下， 子阵A)的信号具有正相位，而下部子阵(在这种情况下，子阵C)具 有负相移，电气倾斜角将是正的，即在正常瞄准线上面。对于相反极 性的相移，电气倾斜角将是负的。
图2的天线组件有若干缺点。尤其是，为调整第一和第三延迟设 备12、 16施加的相移以便改变天线组件的电气倾斜角，需要机械装置 20的人工调整。再者，由于公用的机械调整装置20,第一和第三延迟 设备12、 16施加的相移的幅度总在幅度上是相等的，而在方向(极性) 上是相反的，以此限制天线组件的倾斜。另外，旁瓣水平相对瞄准水 平增加。因此，不利地减少了天线组件的增益。
在图3上，概括为100以方框形式表示按照本发明的天线系统的 一种优选形式。在这个实施例中，天线系统100包括以102表示的天线组件和控制单元104。天线组件102包括具有安装在天线载体或天线 杆(未示出)上的八个元件El到E8的阵的相控阵天线。元件El到E8 4皮布置成两个子阵包4舌E1到E4的上部子阵100A和包4舌E5到E8的 下部子阵100B。子阵100A、 100B的每一个中的元件并联连接到各个分 配网络151N1、 151N2形式的信号分配装置。分配网络151N1、 151N2, 分别经载波线120、 122被馈电并将在后面被进一步详细地说明。
天线组件102包括两个用正方形112、 114代表的输入口，它们中 的每一个经各自的输入载波线120、 122连接到各自的分配网络151Nl、 151N2。控制单元也包括输入分路器/组合器单元125，到它的公用口连 接到单独RF 口 126的输出。输入分路器/组合器单元125具有两个口 ， 它们分别经第一和第二分路器线128、 130连接到第一和第二相位调整 器132、 134。第一相位调整器132在其输出端经第一输入馈线136连 接到输入口 112，同时，第二相位调整器134经第二输入馈线138连接 到输入口 114。因此，从控制单元104经双馈线天线给组件102提供信 号。
除了由第一和第二相位调整器132、 134执行相位调整外，也在到 天线给组件的每个元件的信号路径上提供附加相位调整装置150E1 -150E8。每个附加相位调整装置150E1 — 150E8采取机械相位调整装置 形式，下面参照或图9或图IO进一步详细地说明它的型式。当借助在 伺服控制器103控制下的伺服马达101被控制时，每一个机械相位调 整装置150E1 — 150E8用于进一步调整供给每个子阵IOOA、 100B中的 各个元件的信号的相位。伺服控制器103通过控制电缆206控制伺服 马达IOI。控制电缆206可以是足够长的，使得伺服控制器103可以构 成远离天线組件102放置的控制单元104的一部分。
在图4上进一步详细地表示分配网络151Nl、 151N2。与上部子阵 100A有关的分配网络151N1分别包括第一、第二和第三分路器/组合器 单元116A、 116B、 116C。输入载波线120给第二分路器/组合器单元 116B供信号，第二分路器/组合器单元116B给第一和第三分路器/组合 器单元116A、 116C中的各自一个供基本上相等强度的第一和第二输出 信号。第一和第三分路器单元116A、 116C再分信号，使得每一个给相 位调整装置150E1 — 150E4中的各自一个提供基本上相等强度的第一 和第二输出信号。下部子阵100B的第二分配网络151N2包括相同的分路器单元118A、 118B 、 118C的布置。分路器/组合器单元116A- 116C、 118A - 118C的布置保证对阵的每个元件El到E8的相等功率分配，也 因此保证最大的瞄准增益以及在发射和接收模式波束方向图都是同一 个。
参照图3和4，在工作中，从RF 口 126到输入分路器125的输入 端馈送要被天线系统发射的信号。输入分路器单元125将信号分成两 个相等强度的输出信号并将一个分信号分别供给第一和第二相位调整 器132、 134。可操作第一和第二相位调整器132、 134为在±60°的范 围内调整供给到那里的信号的相位。每个相位调整器132、 134#皮如此 控制，使得如果第一相位调整器132被安排施加正相移到RF信号上， 第二相位调整器134被安排施加负相移到该信号上；反之也是一样。 然而，每个相位调整器被安排独立地调整供到那里的信号的相位，使 得每个相位调整器施加的相移的幅度可以是不同的。
来自第一相位调整器132的相移信号经第一馈线136供给天线组 件102上的输入口 112。同样地，来自第二相位调整器134的相移信号 经第二馈线138供给输入口 114。实际上，可以把第一和第二馈线136 和138做成如想要的那样长，使得用于调整天线组件102的电气倾斜 角度的控制装置104可以位于远离天线组件本身的地点。
供给输入口 112、 114的相移信号作为在输入载波线上120、 122 上的信号Sa和Sb分别供给第一和第二主分路器单元116B、 118B。第 一主分路器单元116B用于分信号Sa，并从它的两个输出端经过上部子 阵分路器116A、 116C和相关的相位调整装置150E1到150E4供给子阵 100A中的元件分信号。
同样地，第二主分路器单元118B用于分信号Sb，并从它的两个输 出端经过下部子阵分路器单元118A、 118C和相关的相位调整装置 150E5到150E8供给子阵100C中的元件分信号。
本专业技术人员从根据其互连分路器单元的方式会立即领会信号 Sa、 Sb被分离和分配到天线组件的元件中的方式。也就是说，分路器 单元的两个输出中的每一个的信号强度将基本上是输入信号强度的一 半。因此，供给每个元件E1到E8的信号的信号强度基本上是相同的。
图5是替换图3和4所示的实施例，其中天线组件102包括布置 在3个子阵上的8个天线元件El到E8;上部子阵100A包括天线元件El到E3，中央子阵100B包4舌E4和E5以及下部子阵100C包^舌天线元 件E6到E8。元件El到E4中的每一个(即，上部子阵100A的3个元 件和中央子阵100B的l个元件)由分配网络151N1馈电，并分别被配 备附加相位调整装置150E1 - 150E4。元件E5到E8中的每一个(即， 下部子阵100A的3个元件和中央子阵100B的1个元件)由分配网络 151N2^:贵电，并分别4皮配备附加相位调整装置150E5 - 150E8。到中央 子阵元件的相位调整4言号，150E4和150E5，通过在160处空中的空间 组合来驱动，这些输出信号中的一个来自第一分配网络151N1，这些输 出信号中的一个来自第二分配网络151N2。两个信号的空中组合驱动到 中央子阵100B的输入发生在从分配网络151Nl、 151N2输出的信号已 经过有关的相位调整装置150E4、 150E5调整了相位之后。
图5上的分配网络151N1、 151N2可以包括与图4所示的基本上相 同的分路器装置，因此，从第一分配网络151N1的第一分路器单元116A 的输出馈电元件El和E2，从第三分路器单元116C的输出中的一个馈 电元件E3。像在图5实施例中互换对元件E4和E5的馈电那样，从第 一分配网络151N1的第三分路器单元116C的第二输出馈电元件E5。同 样地，从第二分配网络151N2的第三分路器单元118C的两个输出馈电 元件E7和E8，从第一分路器单元118C的输出中的一个馈电元件E6。 像在互换对元件E4和E5的馈电那样，从第二分配网络151N2的第一 分路器单元118A的输出中的一个馈电元件E4。
由空间重叠来自上部和下部子阵IOOA、 100C的两个元件驱动到中 央子阵100B的输入获得的优点在于，在阵元件上的相位分布是较近的 接近线性分布。因而可以达到较高的瞄准增益和较低的旁瓣水平，尤 其当电气上倾斜天线时。
图6表示另一个天线组件的替换实施例，以三子组的形式，可变 电气倾斜组件。天线组件102包括十二个元件，El到E12,把它们分 成三个子阵100A、 IOOB、 IOOC，使得每个子阵分别包括四个元件，El 到E4、 E5到E8和E9到E12。用同样的参考数字指示与图3到图5的 实施例中所表示的相同的部件，将不进一步详细地说明它们。输入载 波线120、 122分别馈送各自的信号Sa和Sb到主分路器单元140A、 140B,每个分路器单)t提供两个相等强度的输出。第一主分路器单元 140A的第一输出端连接到第一输出载波线106，第一主分路器单元140A的第二输出端连接到组合器单元124的第一输入端。第二主分路 器单元140B的第一输出端连接到第二输出载波线110，而第二主分路 器单元140B的第二输出端连接到组合器单元124的第二输入端。
组合器单元124是可操作的，以在输出载波线108上输出两个信 号的矢量和。在组合从第一和第二主分路器单元140、 140B输出的信 号的情况下，如果在输入到组合器单元124的输入信号中的每一个的 信号强度是已分别被第一和第二主分路器单元140、 140B平分信号Sa、 Sb的信号强度的一半由组合器单元124输出的信号具有与信号Sa、 Sb 中的任何一个相同的信号强度。另外，由于组合器单元124产生两个 信号Sa、 Sb的矢量和以及由于信号Sa、 Sb的相位已被有差別地调整 (即，在相反的极性上)，由组合器单元124沿栽波线108输出的信 号的相位是Sa和Sb的相位的中值。此外，组合器单元124提供信号 Sa和Sb的相位的中值，而无到子组100B的信号功率的任何损耗。
组合器单元124提供在载波线108上的矢量和信号给第二分配网 络151N2，第二分配网络151N2又经过有关的相位调整装置150E5到 150E8提供信号给元件E5到E 8中的每一个。当从组合器单元124的 输出是输入载波线120、 122上的信号的平均相位时，这种配置提供在 相位线性方面的进一步改进。因此，馈送到中央子矩阵100B的元件(元 件E5到E8)的总功率保持基本上不变，而在栽波线120、 122之间有 相位差。
图7表示图6的三子组天线的实际实施例，为更详细地表示分配 网络151N1、 151N2、 151N3。第一和第二分路器单元140A、 140B由输 入栽波线120、 122中的各自一个馈电，分路器单元140A、 140B中的 每一个产生两个输出信号。从第一分路器单元140A的第一输出信号供 给第一分配网络151N1的相移单元170A以便施加典型地在-45度和-60 度之间的附加相移到来自主分路器单元140A的信号上。相移输出信号 提供给构成图4所示种类的分路器装置116A、 116B、 116C的一部分的 分路器单元116B。分路器装置116A、 116B、 116C分别提供输出信号给 相位调整装置150E1 - 150E4，所以每个元件接收到基本上相等强度的 信号。
从分路器单元140A的第二输出提供给构成第二分配网络151N2的 一部分的另外的分路器单元172A，分路器单元172A将它接收到的输入分成第一输出信号和第二输出信号，第一输出信号提供给第一正交混
合组合器单元174A的一个输入端(A)，第二输出信号提供给第二正 交组合器单元174B的一个输入端(A)。
第二分路器单元140B提供第一输出信号给构成第二分配网络 151N2的一部分的另外的分路器单元172B。该另外的分路器单元172B 提供输出信号给第一正交混合组合器单元174A的第二输入端(B)和 提供输出信号给第二正交组合器单元174B的第二输入端(B)。
第一和第二正交混合组合器单元174A、 174B中的每一个提供第一 和第二输出信号给中央子阵100B的两个元件第一正交混合组合器单 元174A提供信号给元件E5和E6，而第二正交混合组合器单元174B 提供信号给元件E7和E8。第一和第二正交混合组合器单元174A、 174B 保证，提供给元件E5到E8的信号的相位是在输入栽波线120、 122上 的信号的相位的平均。例如，馈送给元件E5的功率减少，馈送给元件 E6的功率增加，以致馈送给元件E5、 E6的功率保持基本上不变。
通过构成第三分配网络151N3的一部分的第二相移单元170B传送 从第二分路器单元140B的第二输出信号。第二相移单元170B施加+45 度的相移(即，与相移单元170A相反的极性)到分路器单元118B。分 路器单元118B构成图4所示种类的分路器装置118A、 118B、 118C的 一部分，它提供输出信号给下部子阵100C的元件E9到E12的各自相 位调整装置150E9 - 150E122,
图8是本发明的替换实施例，其中天线组件包括5个子阵100A -IOOE(即，五子阵)。在这里，第三和第四子阵100B、 IOOD通过空间 重叠如图6所示那样的3个子阵组件的元件来获得，与图6所示的相 同的部件用相同的参考数字指示。输入栽波线120、122分别供信号Sa、 Sb给第一和第二主分路器单元140A、 140B。第一分路器单元140A沿 输出载波线106提供到第一分配网络151N1的第一输出信号和到组合 器单元124的第二输出信号。第二分路器单元140B沿输出载波线110 提供到第三分配网络151N3的第一输出信号和到组合器单元124的第 二输出信号。组合器单元124沿输出载波线108到第二分配网络151N2 的输出信号，
每个分配网络151N1、 151N2、 151N3提供四个输出信号，它们中 的每一个都经过有关的相位调整装置150E1 - 150E12提供给阵的元件。从第一分配网络151N1的输出信号中的一个180A与从第二分配网络 151N2的输出信号中的一个180B通过空中组合信号来进行空间重叠， 提供到子阵100B的元件E4和E5的信号。同样地，从第二分配网络 151N2的输出信号中的一个180C与从第三分配网络151N3的输出信号 中的一个180D通过空中组合信号来进行空间重叠，提供到子阵100D 的元件E8和E9的信号。图8上的配置提供在元件El - E12上的相位 线性方面的进一步改进，并且进一步改进了电气上倾斜组件时的瞄准 增益和旁瓣抑制。
实际上，图8上的分配网络151N1可以包括图7实施例的分路器 装置116A、 116B、 116C和相移单元170A，而第三分配网络151N3可以 包括图7实施例的分路器装置118A、 118B、 118C和相移单元170B。组 合器单元24和第二分配网络151N2可以包括如以前参照图7所描述的 第一和第二分路器单元172A、 172B以及第一和第二正交组合器单元 174A、 174。
图9和图10图解用于机械调整馈送到天线组件中的每个元件的信 号的相位的已知方法。这些方法的任何一个或两个可以作为相位调整 装置150E1 - 150En (其中，n =天线组件中的元件数)用于图3到图 8的天线组件中。
在图9上，通过传输线下面的电介质材料元件的直线移动来实现 传输线上信号的相位的机械调整。机械调整装置601包括底板602和 一般是平面的电介质材料板604。到天线元件的传输线T在底板602对 面敷设。电介质材料板604放置在底板602和传输线T之间。电介质 材料板604 (通常称为"楔")一般是矩形的，有从它的一个纵向边切 去的三角形或V形的部分606。楔604是可相对底板602和传输线T沿 箭头A所示方向移动的， 一般横截传输线T。由于其形状，楔604的直 线移动使较大或较小数量的电介质材料要被插在传输线和底板602之 间，由此使在传输线T上任何信号的传播速度以及，从而相位要被移 动取决于楔的直线位置的数量。通常用以伺服或其它移动换能器形式 的直线致动器来实现这样的直线移动。按照楔604在传输线T下面的 位置和切成楔的V形的内角的"楔角"设置施加到传输线T上的信号 的相移的数量。
图IO—般地用701来表示一种机械相位调整装置。这种机械相位调整装置可操作的，借助与固定线长度电容性耦合的传输线的可动长 度的旋转运动来改变传输线上的信号的传输线延迟，从而改变相位。
装置701包括在其上面是电介质材料层704的底板702。传输线T的固 定长度与底板702和电介质层704 —起组成一种传输线。该传输线是 不连续的，形成两个传输线段T1、 T2，第一段T1在电介质层704上延 伸，形成具有半径R的四分圆；第二段T2在电介质层704上延伸，形 成具有半径r的四分圓。
电介质材料的平面圆盘706放置在传输线T上，它是可相对那里 围绕与由第 一和第二传输线段Tl、T2限定的圆的中心同轴的轴旋转的。 电介质圆盘706携带有U形长度的传输线U，传输线U具有第一臂U1， 它限定具有半径R的四分圓，以及，第二臂U2，它限定环绕的具有半 :径r的四分圆。
传输线T、 U通过电介质圆盘706耦合在一起，通过旋转电介质圆 盘706调整传输线U相对于传输线T的位置可以实现传输线T上的信 号的相位调整。当圆盘转过90。时，两个传输线之间的耦合和由此传 输线到天线元件的有效长度改变，从而移动由传输线携带的信号的相 位。
尽管在图IO上未被示出，但利用图10的器械控制多于一个的天 线元件的相位是有可能的。例如，对于控制两个单独的传输线上的信 号的相位的这样设备来说，传输线T、 U的第二配置可以布置在电介质 圆盘706的相对四分圆上。通过每个圆盘上的传输线T、 U的半径、传 输线间的耦合或通过两者，可以设置施加到每个天线元件或每个子组 的元件上的相移。
图11图解本发明的替换实施例。其中，分路器单元的布置是所谓 "家族树"配置，它允许相等强度的信号被供给组件中的每个元件。 在各个天线元件的相位调整出现的场合，这样的配置是合适的，因为 为使瞄准增益最大余弦平方电压分配不是必需的。
在这个特定的实施例中，天线组件由八个元件El到E8组成；上 部子阵100A包括元件El - E3,中央子阵100B包括元件E4和E5，以 及下部子阵包括元件E6到E8 (即，三子阵系统)。结合电气装置施加 到供给天线元件的信号上的差分相移借助机械相位调整器械的伺服控 制，实现天线组件的电气倾斜角的远距调整。基站控制单元104包括输入分路器/组合器单元125、 RF 口 126以 及第一和第二相位调整器132、 234 (它们中的任何一个都未被示出) 分别经第一和第二馈线136、 138供第一和第二相移信号Sa、 Sb给输 入口 112、 114。输入口 112、 114分别施加该信号到输入栽波线120、 122上。在输入载波线上的相移信号Sa、 Sb分别被供给第一和第二主 分路器单元116、 118。如此布置分路器单元，使得第一和笫二主分路 器单元116、 118的每个输出端连接到分路器单元116A、 116B、 118A、 118B的第二行中的各自分路器单元的输入端。
分路器单元116A的两个输出端经过与图10所示的相同的第一相 位调整装置Dl分别连接到元件El和E2。分路器单元116B的第一输出 端经过第二相位调整装置D2连接到元件E3。分路器单元116B的第二 输出连接到组合器单元124的第一输入端，如分路器单元118A的第一 输出那样。组合器单元124具有两个输出端，它们中的每个分别经过 第二和第三相位调整装置D2、D3连接到元件E4和E5。分路器单元118A 的第二输出经过第三相位调整装置D3连接到元件E6,而分路器单元 118B的两个输出端经过第四相位调整装置D4分别连接到元件E7、 E8。
在图11上，通过枢轴地和偏轴地安装到机械相位调整装置701的 旋转圆盘706中的每一个上的驱动杆200的直线运动，来实现相位调 整装置Dl到D4中的圆盘的旋转。例如，通过借助伺服控制器103控 制的伺服马达101，可以实现驱动杆200的直线运动。控制电缆206 可以是任何想要的长度，使伺服马达103能够从远离天线组件100的 地点被控制。可以如此配置相位调整装置Dl到D4,使得各个圆盘经过 单独的控制点的运动导致对每个圆盘基本上相等的旋转度数。然而， 根据在每个相位调整机构中的传输线T、 U之间的耦合，可以施加不同 数量的相移到到每个天线元件的信号上。
图12图解天线系统的三子阵实施例。其中，连接到每个天线元件 El到E8的机械相位调整装置601是与图9所示的相同的机构，和其中 为执行对每个元件El到E8的单独的机械倾斜要求增加机械调整装置 的数目。换句话说，图12实施例与图11实施例的不同在于，有与每 个元件El到E8相关的独立和分开的可移动电介质元件。伺服马达101 和伺服控制器103被提供，如前面再次说明的，天线组件100的电气 倾斜角的远距调整是结合施加到供给天线元件El到E8的信号Sa、 Sb上的差分相移借助机械相位调整装置601经过电缆206的伺服控制来 实现。
供给每个元件El到E8的信号的相位由每个机构中的电介质楔的 直线运动来控制，每个电介质楔连接到驱动杆200。会注意到，与连接 到上部四个元件El到E4的相位调整装置比较，连接到下部四个元件 E5 - E8的相位调整装置是反转的。因此，施加到供给元件El到E4 的信号上的延迟(负相移)的增加将引起施加到供给元件E5到E8的 信号上的延迟(正相移)的减少。
为了在改变天线组件的电气倾斜角时保持最大瞄准增益和旁瓣水 平的控制，每个天线元件对于给定的驱动杆200的移动会要求不同数 量的延迟。在直线机械相位调整装置中，这可以通过改变楔604的V 形部分606 (如图9所示)的角度来实现。
会认识到，图10的旋转机械相位调整装置可以用于代替图12中 的直线机械相位调整装置600。利用图10的旋转机械相位调整装置， 对于给定的驱动杆200移动的不同数量的延迟可以通过利用不同的对 于安装在每个可旋转圆盘上的传输线的半径来实现。
虽然图12上的分路器单元116A-116C、 118A-118C和组合器单元 124的布置与以前说明的不同，但这种配置如何在元件El到E8上分配 信号强度从前面的说明中会是明显的。
图13表示再另 一个实施例和图解本发明的系统可以如何与双极性 天线组件一起被使用。双极性天线组件的利用是众所周知的并在电信 系统中是很普遍的。在这个实施例中，天线组件包括一组的四个交叉 的偶极子元件Cl到C4，它们按与垂直线成+45°角的四个元件的第一 列和与垂直线成-45°角的四个元件的第二列来布置。第一列和第二 列是与供给每列的各个RF馈线1110、 1112有效地电气上分离的。第 一列和第二列共享共同特征借助公用伺服机构调整到每个单独元件 (在出现场合)的机械相位调整/分路器装置(一般地指114和116)， 使得第一和第二列都具有相同的电气倾斜角。再者，伺服马达101由 伺服控制器103控制，伺服控制器103通过控制电缆与伺服马达101 连通》
会认识到，借其移动机械相位调整装置601、 701、 1114、 1116的 驱动杆200的装置不必采取伺服控制装置101、 103的形式，而可以是可从远离驱动杆200的地点操作的替换装置的形式。
也会认识到，本发明提供远距调整相控阵天线的电气倾斜角的有 效方法。例如，有可能从在其上安装天线元件的天线杆的基座处设置 的基站或者从离天线杆几英里的地点来控制和/或调整电气倾斜，然而 没有任何人工调整天线元件它们本身的要求。此外，本发明允许到天 线组件内的各个子阵的信号的独立的相移和到中央子阵的信号的自动 差分相位调整以允许利用只两个RF输入。另外，通过改变未必幅度上 相等的程度可以相移到上部的和下部的子阵的信号。由组合器124供 给外部子阵的信号的矢量求和使供给中央子阵的信号总可以被移到它 们的中值，如果要求的话。
天线系统电气倾斜的组合机械和电气控制使天线系统的最佳波束 方向图可以以最大瞄准增益和较低的旁瓣水平来产生。此外，这样的 控制是可从远离天线组件的地点实现的，例如离天线杆基座几公里。 这样的天线系统的性能与现有系统比较是显著改进的。
会认识到，虽然按具有不同数目的天线元件(例如，图5上E1到 E5,图6上E1到E12)表示和说明了本发明的不同实施例，但是这些 实施例中的任何一个可以适于包括或多或少的天线元件。以从上面i兌
或少的子阵:布置，同时仍^持上i^优点。
一
虽然按构成控制单元104的一部分来表示附加机械相位调整装置 150El-150En的伺服控制机构103，但情况不必是这样。也可以把伺服 控制器103远离天线组件100放置，如控制单元104那样，但是不必 把它放置在相同地方。
在整个说明书中，"电气倾斜，，的引用是为意指不是物理移动天 线罩或者天线元件，而是通过调整供给一个或多个天线元件的信号的 相位来完成的从天线组件发射和/或接收的辐射方向图的调整。然而会 认识到，电气倾斜可以由既具有机械元件又具有电气调整元件的装置 来调整，例如，如图11所示。
权利要求
1.天线系统，包括a)具有电气倾斜角的天线组件，多个天线元件，两个天线端口和用于在所述天线端口和所述天线元件之间发送信号的信号发送装置；和b)控制装置，布置来提供对通过各个天线端口的两个信号之间的相位差的电气控制从而来控制所述天线组件的电气倾斜角，所述控制装置位于远离所述天线组件的位置上。
2. 如权利要求l的天线系统，包括用于进一步调整天线元件信号 相位的机械相位调整装置，并且其中所述控制装置被放置在支持所述 天线组件的天线载体的基座处。
3. 如权利要求l的天线系统，其中，所述天线组件被布置在至少 两个子阵上，每个子阵具有一个或多个天线元件，并且其中所述控制 装置包括用于通过各自的输入反馈和天线端口来连接到所述子阵中的 一个上的第一相位调整装置，和用于通过各自的输入反馈和天线端口 连接到另一个子阵上的第二相位调整装置，所述控制装置用于调整提 供给所述子阵的信号的相位。
4. 如权利要求2的天线系统，其中，所述控制装置包括用于接收 到系统的单独输入信号的单端口和用于将所述输入信号分成第一和第 二信号以分别提供给所述第一和第二相位调整装置的装置。
5. 如权利要求l的天线系统，被布置在至少第一和第二子阵中， 每个都具有一个或多个天线元件，所述天线系统还包括用于根据提供 给所述第二子阵的信号的相位来自动控制提供给所述第一子阵的信号 的相位的装置。
6. 如权利要求1所述的天线系统，其中，所述天线元件按第一、 第二和第三子阵来布置，并且所述天线系统具有a) 第一控制装置，用于控制供给所述第一子阵的信号的相位；b) 第三控制装置，用于控制供给所述第三子阵的信号的相位；以及c) 第二控制装置，用于自动控制提供给所述第二子阵的信号的相 位成为提供给所述第一和第三子阵的信号的相位的预定函数。
7. 如权利要求6的天线系统，其中，所述笫二控制装置包括组合器单元，用于接收具有提供给所述第一子阵的信号的相位的第一输入 信号和具有提供给所述第三子阵的信号的相位的第二输入信号，以及 用于根据所述预定函数把具有预定相位的输出信号提供到第二子阵。
8. 如权利要求6的天线系统，其中，所述预定函数是提供给所述 第一和第三子阵的信号的相位的矢量和。
9. 如权利要求6的天线系统，其中，所述第二控制装置包括至少 一个正交组合器单元，用于接收具有提供给所述第一子阵的信号的相 位的第一输入信号和具有供给第三子阵的信号的相位的第二输入信 号，以及用于把第一输出信号提供到第二子阵的一个元件和把第二输 出信号提供到第二子阵的一个不同元件，其中所述第一和第二输出信 号依赖于所述第一和第二输入信号的相位的预定函数。
10. 如权利要求9的天线系统，其中，所述正交组合器单元组合 所述第一和第二输入信号，使得由所述正交组合器单元提供的所述输 出信号的相位是所述第一和第二输入信号的相位的平均。
11. 如权利要求l的天线系统，包括a) 第一控制装置，用于按第一数量控制和/或调整供给所述第一 子阵的信号的相位；以及b) 第二控制装置，用于按第二数量控制和/或调整供给所述第二 子阵的信号的相位；并且其中所述第二数量的幅度和/或极性与所述第一数量的不同。
12. 如权利要求1的天线系统，其中，所述天线组件被布置来接 收两个输入信号反馈中的最大的。
13. 如权利要求1的天线系统，其中所述天线组件被布置在至少 两个子阵中，每个子阵具有一个或多个天线元件，并且其中所述信号发送装置包括与每个子阵有关联的各个信号分配装置用于分离信号并 把信号分配给该子阵的天线元件。
14. 如权利要求13的天线系统，其中，所述信号分配装置中的每 一个都包括用于基本上均匀地分配将信号强度分配到所述子阵的分路 器装置。
15. 如权利要求13的天线系统，其中，来自与第一子阵有关联的 所述分配装置中的一个的至少一个输出信号与来自与第二子阵有关联 的所述分配装置的另一个的至少一个输出信号空间上组合，以便把第一和第二组合输出信号提供到笫三子阵的第一和第二元件。
16. 如权利要求2的天线系统，其中，所述机械相位调整装置包括可移动电介质元件阵列。
17. 如权利要求16的天线系统，其中，每个电介质元件与相应的 天线元件相关联。
18. 如权利要求17的天线系统，其中，每个天线元件具有相关联 的输入传输线，并且每个电介质元件被配置为相对于与其相关联的传 输线直线运动，以便通过所述传输线来移动供给所述元件的信号的相 位。
19. 如权利要求17的天线系统，其中，每个天线元件具有相关联 的输入传输线，并且每个电介质元件被配置为相对于与其相关联的传 输线旋转运动，以便通过所述传输线来移动供给所述元件的信号的相 位。
全文摘要
一种天线系统(100)包括一种具有安装在天线载体上和布置在至少两个子阵(100A、100B)上的多个元件(E1-En)的天线组件(102)。每个子阵包括一个或多个所说的元件。该系统也包括为从远离所说的天线系统(100)的地点电气上控制供给所说的子阵(100A、100B)中的至少一个的信号的相位而被布置的控制装置(104)。其中，所说的控制装置包括用于连接到所说的子阵(100A、100B)中的各自的一个借此调整供给那里的信号的相位的第一和第二相位调整装置(132、134)。提供一种附加机械相位调整装置(150E1-150En)，它用于另外调整供给天线系统(100)的每个元件(E1-En)的信号的相位。
文档编号H01Q1/24GK101593868SQ200910203519
公开日2009年12月2日 申请日期2002年9月12日 优先权日2001年10月22日
发明者D·A·温恩, L·D·托马斯, P·E·哈斯克 申请人:昆特尔科技有限公司