垂直電下傾天線的製作方法
2023-05-14 20:17:26 4
專利名稱：垂直電下傾天線的製作方法
技術領域：
本發明涉及無線基站天線系統，並更具體地涉及使用波束(beam)控制電路的天線，以實現垂直電下傾(downtilt)和旁瓣減小，所述波束控制電路包括可變功率分配器和多波束的波束形成網絡。可以是雙極化天線的所述天線還可包括配電網絡，其實現波束傾斜偏置(tilt bias)和進一步的旁瓣減小。
背景技術：
無線基站天線的市場是高價的和在性能上極具競爭性的。出於此原因，開發出具有適合用作無線基站天線並展示出理想的初始和使用壽命的成本特性的天線是有利的。同時，理想的是，配備具有大範圍的操作靈活性的天線，以使得標準的天線設計可被用於大範圍的潛在天線場所和特徵偏好。滿足這些經常產生衝突的設計目的是對於無線基站天線的設計者的持續挑戰。
具體地，可調節的下傾和旁瓣最小化是無線基站天線的理想特性。用於實現可調節下傾的傳統方法包括依靠手動或機動化的支架調節的機械下傾系統。可選地，傳統的電下傾系統典型地依靠多波束控制移相器。這些技術實現起來相對昂貴。此外，傳統上已通過相對複雜的天線單元間隔、配電和相位控制方案實現了旁瓣最小化。這些技術實現起來也相對昂貴。
因此，存在對用於實現無線基站天線的波束傾斜和旁瓣最小化的成本上更加高效的系統的持續需要。
發明內容
本發明滿足上述的對於天線的需要，所述天線適合用作實現垂直電下傾和旁瓣最小化的無線基站天線。所述天線包括多單元陣列和波束控制電路，所述波束控制電路包括可變功率分配器和多波束的波束形成網絡。所述天線還包括配電網絡，其將波束控制電路的輸出連接於天線陣列的單個單元。可變功率分配器可使用單個可調節控制單元，以在電壓振幅分配範圍上將輸入電壓信號分為一對互補振幅電壓驅動信號。此外，電壓驅動信號可通過可變功率分配器而在電壓振幅分配範圍上展示出匹配的相位和恆定的相位延遲。此配置產生了用於控制電傾斜的電壓驅動信號，而無需多個移相器或機械支架調節系統。
所述電壓驅動信號被用作為多波束的波束形成網絡的輸入信號，所述多波束的波束形成網絡產生多個波束驅動信號，每個波束驅動信號典型地包括關聯於每個電壓驅動信號的波束分量。每個波束驅動信號接著驅動包括一個或多個天線單元的子陣列。結果，從天線發射的波束是合成波束，其展示出響應於電壓振幅分配範圍內的電壓振幅分配的改變而在傾斜範圍內變化的方向傾斜。此類合成波束響應於對多分量波束的加權的改變而在方向上變化，相對於通過具有相同數量的可調節控制單元的傳統的相位控制所控制的單個分量波束，所述合成波束展示出較低的旁瓣。
天線包括天線單元陣列，其典型地在垂直列中被分隔開，並被組織為一個或多個位於外部子陣列之間的內部子陣列。此外，出於減小旁瓣發射的目的，外部子陣列中的天線單元的數量可以大於內部子陣列中的天線單元的數量。出於減小旁瓣發射的目的，配電網絡還可被配置成實現對被發送到一個或多個子陣列中的單元的波束驅動信號的協同(coordinated)移相，以致使對由子陣列的天線單元發射的信號的相位匹配進行所期望的模糊(blurring)。
此外，波束形成網絡可被實現為安裝於主面板(panel)的雙面的、邊緣相連的模塊，其承載可變功率分配器、配電網絡和天線單元。此配置產生與模塊化的、雙面的、邊緣相連的構造技術相關的多個成本和靈活性的優點。上述的多種特徵可被包括於不同組合和排列中，以向天線提供適用於一定範圍的應用和特徵偏好的特徵和優點。
一般而言，本發明可被實現為一種包括限定了視軸(boresight)方向的天線單元陣列的天線系統。所述天線可包括可變功率分配器，其使用單個可調節控制單元在電壓振幅分配範圍上將輸入電壓信號分為一對互補振幅電壓驅動信號。所述電壓驅動信號可通過可變功率分配器在電壓振幅分配範圍上展示出匹配的相位和恆定的相位延遲，所述電壓驅動信號饋送到波束形成網絡，所述波束形成網絡產生典型地包括與每個電壓驅動信號有關的波束分量的多個波束驅動信號。配電網絡將每個波束驅動信號發送到一個或多個相關聯的天線單元，以使波束驅動信號驅動天線單元發射波束，所述波束展示出響應於電壓振幅分配的改變而在傾斜範圍內變化的相對於視軸方向的方向傾斜。
所述天線還可包括多個額外特徵，諸如用於調節電壓振幅分配並從而調節波束的方向傾斜的場可調節傾斜方向致動器(actuator)。所述天線還可包括配電網絡，其實現被發送到天線單元的波束驅動信號的協同移相，以致使有傾斜範圍的所期望的傾斜偏置。所述天線還可包括用於調節傾斜偏置的場可調節傾斜偏置致動器，以及用於控制所述場可調節傾斜方向致動器和/或所述場可調節傾斜偏置致動器的遠程控制器。
典型地，天線單元被組織為一個或多個位於外部子陣列之間的內部子陣列，並且每個波束驅動信號驅動相關聯的天線子陣列。出於減小旁瓣發射的目的，在外部子陣列中的天線單元的數量可以大於在內部子陣列中的天線單元的數量。在特定配置中，外部子陣列的數量可以是二，內部子陣列的數量可以是二，在每個外部子陣列中的天線單元的數量可以是四，而在每個內部子陣列中的天線單元的數量可以是二。在另一特定配置中，外部子陣列的數量可以是二，內部子陣列的數量可以是二，在每個外部子陣列中的天線單元的數量可以是五，而在每個內部子陣列中的天線單元的數量可以是三。
在又一特定配置中，出於減小旁瓣發射的目的，配電網絡實現波束驅動信號的協同移相，所述波束驅動信號被發送到一個或多個子陣列的單元，以致使對和由所述子陣列發射的信號相匹配的相位進行期望的模糊。在此可選方案中，外部子陣列的數量可以是二，內部子陣列的數量可以是二，在每個外部子陣列中的天線單元的數量可以是四，而在每個內部子陣列中的天線單元的數量可以是四。可選地，在每個外部子陣列中的天線單元的數量可以是三，而在每個內部子陣列中的天線單元的數量可以是三。
典型地，波束形成網絡被實現為二乘四的正交波束形成網絡或者四乘四的Butler矩陣。此外，每個天線單元可以是雙極化天線單元，而天線系統對於每一極化可包括類似的可變功率分配器、波束形成網絡以及配電網絡。在此情形中，場可調節傾斜方向致動器可以互相機械地連結，以便用協同方式調節對於兩個極性的波束傾斜。此外，配電網絡可實現波束驅動信號的協同移相，所述波束驅動信號被發送到子陣列以對於每一極化產生傾斜範圍的期望的傾斜偏置。在此情形中，所述天線系統還可包括用於以協同方式調節兩個極化的傾斜偏置的場可調節傾斜偏置致動器。
所述天線典型地包括限定了基本上垂直於視軸方向的縱向軸的基本上平的面板。此外，所述面板支持具有以基本上垂直的分布的間隔配置的天線單元的陣列，並且所述陣列被分為一個或多個垂直位於外部子陣列之間的內部子陣列。所述波束形成網絡還可被配置為安裝於主面板的、雙面的、邊緣相連的模塊。
可組合前述設計部件，以創建具有適用於一定範圍的無線基站應用和特徵偏好的不同特徵的多個不同的垂直電下傾天線。應該了解，上述特徵可以用適用於特定應用的不同組合和排列來實現。即，本發明準備提供多個天線特徵，其可在按照需要的基礎上被混合併進行匹配，以提供對於大範圍的應用和特徵偏好來說在成本上高效的可選方案。因此，本發明並不限於任何特定的特徵組合。
考慮到前述內容，將會理解，本發明避免了用於實現天線下傾和旁瓣減小的現有方法的缺點。通過以下對實施例的詳細描述和附圖及權利要求，用於實現天線下傾和旁瓣減小、並從而實現上述優點的特定技術和結構將變得明顯。
圖1是被部署為無線基站天線的遠程控制的垂直電下傾天線的框圖；圖2是例示了具有可調節傾斜偏置的垂直電下傾天線的圖；圖3是垂直電下傾天線的功能框圖；圖4是用於可變電下傾天線中的可變功率分配器的概念性例示圖；圖5A是用於可變電下傾天線中的波束形成網絡的電示意圖；圖5B是用于波束形成網絡的雙面的、邊緣安裝的模塊設計的透視端視圖；圖5C是雙面的、邊緣安裝的波束形成網絡模塊的第一傳輸媒介電路的側視圖；圖5D是雙面的、邊緣安裝的波束形成網絡模塊的第二傳輸媒介電路的側視圖；圖6A是用於十二單元的天線陣列的配電網絡的概念性示圖；圖6B是用於十六單元的天線陣列的配電網絡的概念性示圖；圖7A是用於包括外部子陣列的十二單元的天線陣列的配電網絡的概念性示圖，所述外部子陣列的天線單元多於內部子陣列；圖7B是用於包括外部子陣列的十六單元的天線陣列的配電網絡的概念性示圖，所述外部子陣列的天線單元多於內部子陣列；
圖8是垂直電下傾天線的透視分解圖；圖9是用於垂直電下傾天線的主面板的前視圖；圖10是附著於天線底板的一部分的波束控制電路的頂側的透視圖；圖11是附著於天線底板的一部分的波束控制電路的底側的透視圖。
具體實施例方式
本發明可包括用於實現無線基站天線系統的垂直電下傾和旁瓣減小的多個天線特徵。儘管這些天線系統可被明確地設計用於部署為無線基站天線，但本發明的各種特徵可被用於其他應用中，諸如衛星通信系統、軍事雷達、軍事通信系統和其他任何波束控制應用。不過，這些應用可展示不同成本和性能考慮，其有助於不同的和潛在更複雜的波束控制和旁瓣減小的方案。此外，許多額外的天線特徵可與下述的天線特徵一同實現。然而，每個這種修改都可能對系統增加成本和複雜度。因此，還應該了解，下述的優選實施例當前被確信為包括了對於許多無線基站應用來說在技術上和經濟上最可行的垂直電下傾天線。
具體而言，下述的特定天線實施例是具有單個垂直列的天線單元的雙極化面板天線。對於此配置，波束傾斜裝置影響具有向下傾斜偏置的可變波束下傾，其對於大多數無線基站應用是理想的。不過，傾斜定向可以被容易地修改為方位角或其他任何期望的傾斜平面。此外，天線單元不需要是雙極化的，並且不需要被組織為單個垂直列。例如，天線單元間隔配置可以包括多個垂直列、一個或多個行、或其他任何間隔上理想的可選方案。不過，再一次地，具有單個垂直列的雙極化天線單元的面板天線當前被認為是對於無線基站應用的垂直電下傾天線來說在技術上和經濟上最可行的可選方案。
下述特定天線實施例還包括在可變功率分配器、波束形成網絡和配電網絡內實現的有利的設計特徵。可以用適合於特定應用和特徵偏好的各種組合和排列中提供這些設計特徵。因此，本發明不應限於任何特定的特徵組合，除了在權利要求中指定的之外。
現在轉到附圖，在附圖中，相同標號指在若干附圖中的相似單元，圖1是被部署為無線基站天線的遠程控制的垂直電下傾天線10的框圖。此天線被裝備來執行由天線發射的波束12的垂直電下傾。更具體地，典型地安裝於杆14、塔、建築物或其他適當的支撐結構的天線10包括支持多個天線單元的垂直面板。這些天線單元以視軸方向15發射波束12(圖2中所示)，當由天線單元發射的信號同相時，視軸方向是波束的自然傳播方向。在圖1和2所示的特定示例中，天線10安裝於垂直定向的主面板，這通常會導致水平的視軸方向。這是無線基站天線的典型安裝配置。
通過水平視軸方向15，典型地提供某種機制將波束12導向從水平方向向下。具有可調節的波束下傾也是期望的，以使得波束可以被指向期望的地理覆蓋範圍，在該範圍中接收具有適當強度的波束，並區分通常超過該地理覆蓋範圍的區域的信號傳輸。天線10是可逆的(reciprocal)，而在操作頻帶中的每個頻率處，接收操作模式中的天線屬性與傳輸模式的相同。天線10被配置實現範圍θr內的可調節波束下傾，所述範圍θr擴展到兩個邊界波束指示方向θ1和θ2之間。典型地，傾斜範圍θr也從視軸方向向下偏置。例如，傾斜上邊界典型地被設為水平，或恰好在水平之下，而傾斜範圍θr典型地擴展大約向下五度。例如，對於具有十二個或更多輻射單元的天線陣列，從水平開始一到五度以及從水平開始二到七度的傾斜範圍是典型的。不過，對傾斜偏置和傾斜範圍的選取是可根據不同應用而改變的設計選擇。
此外，傾斜偏置可以是固定的或可調節的。圖2通過示出天線10的三個傾斜偏置角而例示了可調節傾斜偏置的可選方案。對於具有可調節傾斜偏置的天線，此參數可手動或機械地變化，並且它可被本地或遠程地控制。
再次參考圖1，可調節傾斜範圍中的波束傾斜偏置和傾斜角可用若干不同方式進行控制。例如，一個或多個控制旋鈕(knob)可位於天線10本身之上，典型地位於主面板的背面上。不過，爬上杆14來調節波束傾斜可能不太方便。因此，本地控制器16可位於適當的位置，諸如杆底部或基站收發信臺18(BTS)。在此情形中，電機(諸如伺服裝置或步進電機)根據來自本地控制器16的控制信號來驅動傾斜控制。所述電機典型地安裝於天線10的主面板的背面，但也可以位於其他任何適當位置。此外，遠程控制器20可被用於遠程控制波束傾斜。例如，遠程控制器20典型地通過電話線22或其他適當的通信系統連接於本地控制器16。本地和遠程控制器可以是如本領域內所公知的任何適當的控制設備。
圖3是包括波束控制電路的天線10的功能框圖，所述波束控制電路包括可變功率分配器30和多波束的波束形成網絡40。可變功率分配器30將電壓信號32分為兩個互補振幅電壓驅動信號，其向多波束的波束形成網絡40(BFN)提供輸入。波束形成網絡40又產生波束驅動信號42，所述波束驅動信號被配電網絡60發送到多單元的天線陣列50。配電網絡60將每個波束驅動信號分為適合用於發送到多單元的天線陣列50的相關聯的子陣列的信號。配電網絡60還包括傾斜偏置移相器44和相位模糊移相器45，其用協同方式通過傳輸媒介軌跡長度調節而操縱波束控制信號的相位特性，以實現波束傾斜和旁瓣減小。
可變功率分配器30接收電壓信號32並將其分為兩個電壓驅動信號V1和V2。電壓信號32典型地包含已編碼的移動通信數據，並通過連接於天線10上的連接器的同軸電纜被提供，如本領域內所公知的。圖4是可變功率分配器30的概念性示圖，在標題為「Variable PowerDivider」、申請日為2002年11月8日的共同擁有的美國專利申請10/290,838中更詳細地描述了可變功率分配器30，該專利申請在此引入作為參考。可變功率分配器30使用單個可調節控制單元34(典型地為微帶弧刷臂(microstrip wiper arm))來將輸入電壓信號32分為電壓驅動信號V1和V2，其在電壓振幅分配範圍上具有互補的振幅。
更具體地，V1與V2的振幅之和為振幅輸入電壓信號32，並當在它們之間分配功率時彼此相反地變化。具體而言，當可調節控制單元34處於圖4中標為「B」的位置時，功率分配範圍為V1為100％，V2為零，而當可調節控制單元34處於圖4中標為「C」的位置時，功率分配範圍為V1為零，V2為100％。此外，當可調節控制單元34在位置「B」和「C」之間移動到表示50％分配點的位置「A」時，功率分配在這兩個極端之間平穩變化。
除了具有互補振幅之外，電壓驅動信號V1和V2還通過可變功率分配器30展示出匹配的相位(即，它們持續具有基本上相同的相位)和基本上恆定的相位延遲。換句話說，當功率分配在功率分配的範圍中變化時，電壓驅動信號V1和V2相對於彼此的相位特性以及相對於輸入電壓信號32的相位特性保持基本上恆定。致動器36(諸如控制旋鈕或電機)被用於移動可調節控制單元34，可調節控制單元34又致使對波束傾斜的調節。這在圖3和4中說明，其中圖3中標為「A」的波束傾斜位置對應於圖4中示出的可調節控制單元34的位置「A」；圖3中標為「B」的波束傾斜位置對應於圖4中示出的可調節控制單元34的位置「B」；而圖3中標為「C」的波束傾斜位置對應於圖4中示出的可調節控制單元34的位置「C」。
再次參考圖3，電壓驅動信號V1和V2向多波束的波束形成網絡40提供輸入信號，所述多波束的波束形成網絡40典型地被配置為具有通過阻抗匹配電阻分流到地端的兩個輸入埠的正交的二乘四波束形成網絡或四乘四Butler矩陣。圖5A-D例示了後一配置。在標題為「Double-Sided，Edge-Mounted Stripline Signal Processing ModulesAnd Modular Network」、申請日為2003年7月18日的共同擁有的美國專利申請10/623,382中詳細描述了上述兩個配置以及多個其他的信號處理模塊，在此將所述專利申請引入作為參考。儘管波束形成網絡40不需要被配置為雙面的、通過邊緣安裝的模塊，但此配置會帶來許多優點。
應該理解，波束形成網絡40的輸出的數量典型地對應於天線子陣列的數量，並因此可根據特定應用的需要進行變化。儘管具有四個和八個子陣列的天線是常見的，但諸如三個、五個和六個子陣列的其他配置也是典型的。當然，任何期望的數量的子陣列和多種波束形成網絡也可以接受。
當前可以相信，對于波束形成網絡模塊40來說，七層的模塊化PC板構造工作得最好。此配置包括多層的、雙面的帶狀線(stripline)模塊，其具有第一外部地平面層、接著是絕緣層、接著是第一帶狀線電路層、接著是絕緣層、接著是中央地平面層、接著是絕緣層、接著是第二帶狀線電路層、接著是絕緣層、接著是第二外部地平面層。即，優選的板配置包括圖5B中例示的結構以及附著於模塊40的外側52和54的承載外部地平面的額外絕緣覆蓋層。增加承載外部地平面層的絕緣覆蓋層減小了帶狀線傳輸媒介電路56A-B中的輻射損失和幹擾。
此特定天線10的波束形成網絡40輸出四個波束驅動信號42，每個信號包括來自電壓驅動信號V1和V2中的每一個的分量。每個波束驅動信號又饋送到天線陣列50的一個子陣列。配電網絡60將波束形成網絡40的輸出埠連接於天線陣列50的天線單元。
天線陣列50包括雙極化天線單元的垂直列，如圖8所示。該垂直列典型地被分為子陣列，如圖6A-B和7A-B所示。對子陣列的使用典型地用於無線基站天線，其被配置成由於通常所需的可變波束傾斜的範圍而實現垂直電下傾。應該理解，上述技術可被用於控制任何期望的方向上的波束傾斜，並且天線陣列50可以是任何期望的配置，諸如行、多個行、多個列、三維特定安排或者其他任何期望的多單元配置。不過，還應該理解，被分為相對少量的(諸如四個)子陣列的相對少量的(諸如十二個或十六個)天線單元的單個列對於許多無線基站應用來說會致使有具有充分的垂直電下傾和旁瓣減小的在成本上高效的天線。
配電網絡60典型地被配置為被刻蝕到絕緣PC板襯底上的微帶傳輸媒介段。波束形成網絡40驅動兩個分量波束「B」和「C」，其通過電壓功率分配而在功率上變化。即，分量波束「B」對應於電壓驅動信號V1，而分量波束「C」對應於電壓驅動信號V2。因此，當電壓驅動信號V1接收100％功率(即，對應於圖4中所示的弧刷臂位置「B」)時發射波束「B」，而當電壓驅動信號V2接收100％功率(即，對應於圖4中所示的弧刷臂位置「C」)時發射波束「C」。當功率在電壓驅動信號V1和V2之間劃分時，分量波束結合在一起，以產生位於分量波束之間的合成波束，如波束「A」所示。因此，合成波束「A」的指示方向隨著電壓驅動信號V1和V2之間的功率分配而在方向「B」和「C」之間變化。相對於通過使用相同數量控制設備的傳統相位控制來控制的單分量波束而言，用上述方式傾斜合成波束會有利地產生更小的旁瓣。當分量波束結合一起形成合成波束時，其旁瓣部分地相互抵消。當使用傳統的移相方案時，典型地，使用三個控制設備(即，該數量比子陣列數量少一個)來實現將不同的且可變的信號驅動到例如四個子陣列。因此，出於使波束下傾的目的，此處定義的方法有利地減小將不同的且可變的信號驅動到陣列天線的子陣列所需的控制設備的數量。
考慮到前述內容，應該理解，在進一步產生旁瓣減小時，增加天線子陣列的數量和增加天線單元和/或子陣列之間的間隔一般而言是有效的。不過，關聯於這些設計改變的成本必須與將獲得的額外收益進行權衡。還應該理解，如本說明書中所講授的那樣，相對於應用於單分量波束的導致較大天線陣列的傳統方法，諸如增加天線單元間隔和部署天線單元的多個列，提供發射合成波束的相對小的天線陣列一般而言是在成本上更高效的實現旁瓣減小的方法。還應該理解，使用一個控制設備來提供跨大致等於天線的一半功率波束範圍的下傾範圍在簡單性和成本上是有利的。
仍然參考圖3，將波束形成網絡40的輸出連接於天線單元50的配電網絡60的微帶傳輸媒介軌跡段的長度在規定上被選擇為使得當它們到達天線單元時導致同相的信號，所述天線單元產生指向天線視軸方向的波束。為將波束方向從視軸方向進行偏移，傾斜偏置移相器44被包括在用于波束驅動信號42的傳輸媒介軌跡中。固定相位的傾斜偏置移相器可以通過軌跡長度調節來實現，以實現期望的固定波束傾斜偏置。額外地或可選地，可變移相器可被用來提供可變傾斜偏置，如圖2所示。
公共致動器46可被用來用協同方式驅動可調節傾斜偏置移相器44。例如，有齒機架可驅動公共小齒輪，所述公共小齒輪又驅動長度可調U型波導帶(trombone)型或弧刷型微帶的類似擴展臂或其他適當的移相器。致動器可以是手動的(諸如旋鈕)或者是機動化的，並可被本地或遠程地控制，如圖1所示。
此外，一個或多個子陣列可包括一個或多個天線單元移相器45，以輕微地變化被發送到子陣列單元的相位信號。即，各移相器典型地位於饋送給相關聯的天線單元的傳輸媒介軌跡內。出於減小旁瓣發射的目的，這些移相器被設計用於使對相關聯子陣列的天線單元所發射的信號的相位匹配進行輕微地失配或「模糊」。具體而言，出於進一步減小旁瓣發射的目的，相對於內部子陣列所發射的信號，對外部子陣列所發射的信號進行相位匹配可以嚴格地變得更加模糊一點。
典型地，通過傳輸段長度調節來實現天線單元移相器45。不過，可使用其他類型的移相器。具體而言，通過傳輸段長度調節來實現的移相器強制實行固定的移相。可選地，可使用可被本地或遠程地進行控制的可調節天線單元移相器。不過，成本考慮可能支持通過固定長度傳輸段調節來實現天線單元移相器45。圖6A是饋送給天線陣列50的配電網絡60的概念性示圖。此特定實施例包括一個有十二個天線單元的垂直列，所述十二個天線單元被組織為兩個外部子陣列62A-B和兩個內部子陣列62A-B，每個所述子陣列包括三個天線單元。每個子陣列由相關聯的一個波束驅動信號42饋給。天線包括可調節傾斜偏置移相器44和固定相位模糊移相器45，如之前參考圖3所描述的。圖6B是類似的十六單元的天線陣列設計的概念性示圖，所述十六單元的天線陣列設計包括兩個外部子陣列68A-B和兩個內部子陣列69A-B，每個所述子陣列包括四個天線輻射單元。圖6A-B中所示的十二和十六單元設計被確信適合用作無線基站天線。
圖7A是用於十二單元的天線陣列的可選設計，所述十二單元的天線陣列包括兩個外部子陣列72A-B和兩個內部子陣列74A-B，每個外部子陣列包括四個天線單元，每個內部子陣列包括三個天線單元。具有比內部子陣列更多個天線單元的外部子陣列減小了到外部子陣列72A-B的單個單元的相對功率輸送。這具有減小天線的旁瓣發射的效果。圖7B是用於十六單元的天線陣列的類似的可選天線設計，所述十六單元的天線陣列包括兩個外部子陣列76A-B和兩個內部子陣列78A-B，每個外部子陣列包括五個天線單元，每個內部子陣列包括三個天線單元。再有，圖7A-B中所示的十二和十六單元設計被確信適合用作無線基站天線。
圖8-11是圖6A中所示的包括十二個雙極化天線單元82的垂直電下傾天線80的特定商用實施例的計算機輔助設計(CAD)的按一定比例的示圖。此天線被設計用於1.92GHz的操作載波頻率(其是已許可的美國個人通信服務(PCS)無線波段的中心頻率)，而天線單元被放置為相隔0.7自由空間波長，其大致是4.6英寸。此天線的導電底板84是矩形的，尺寸為56英寸長乘8英寸寬[大約142cm乘20cm]。十六單元的天線相應地更長，72英寸長乘8英寸寬[大約183cm乘20cm]，以適應具有相同間隔的四個額外天線單元。天線罩86裝配於底板上並連接於底板。
天線80包括兩個安裝支架88A-B、兩個同軸電纜天線接口連接器90A-B以及連接於底板84的背面的致動器旋鈕部件92。同軸電纜連接器90A-B接收提供兩個輸入電壓信號32(圖3所示)的同軸電纜，每個輸入電壓信號用於雙極化天線的每一極化。主面板絕緣體96的下面上的導電地平面與非導電配件94一起連接於底板84的前面。主面板印刷電路(PC)板的導電地平面電容性地耦合於底板84，用於跨連接處的RF信號流。主面板96是用包錫的銅軌跡蝕刻的絕緣PC板，所述包錫的銅軌跡形成將來自同軸電纜連接器90A-B的電壓信號傳送到天線單元82的傳輸媒介段。更具體地，傳輸媒介段形成兩個實際上相同的波束控制和配電電路98A-B，其中一個用於一個極化。
主面板96的絕緣材料可以是PTFE Teflon，其是充滿玻璃纖維的層壓板，具有等於2.2(εr＝2.2)的介電常數。此材料可被用於構建PC板，所述PC板將展示出用於微帶傳輸媒介段的有效介電常數1.85(εreff＝1.85)，所述微帶傳輸媒介段一側接觸PC板，另一側接觸空氣。對於此類PC板電路，波導中的波長(λg)(即，在布置於PC板上的微帶傳輸媒介中傳播的波長，所述微帶傳輸媒介段一側接觸絕緣襯底，另一側接觸空氣)大約為4.52英寸[11.48cm]。
參考圖3和4以及圖8，兩個可變功率分配器102A-B(每個用於一個極化-圖3中的單元30)以及兩個配電網絡104A-B(每個用於一個極化-圖3中的單元60)位於主面板96上，但是，兩個波束形成網絡106A-B(每個用於一個極化-圖3中的單元40)被實現為焊接於主面板96的、雙面的、通過邊緣安裝的模塊。兩個弧刷臂108A-B(每個用於一個極化-圖4中的單元34)樞軸地連接於主面板96的可變功率分配器區域。兩個弧刷臂104A-B被構造於具有類似於被用於構建主面板(但沒有地平面)的材料的蝕刻銅軌跡的小絕緣PC板之上，並通過在弧刷臂地後部中構造的接合(dove-tail)齒輪而機械地彼此耦合。這允許兩個弧刷臂被單個致動器旋鈕92(圖3中的單元36)用協同方式進行移動。在機動化實施例中，用安裝於底板84背面的小電機和機械傳動(諸如伺服或步進電機)替換致動器旋鈕部件92。電機可被裝入適當的外殼中，並典型地伴隨於關聯於電功率和電機控制的電子PC板部件。
此外，對於包括可變傾斜偏置的實施例，具有分開的電機的機架和齒輪驅動系統典型地連接於底板84的背面。如前所述，傾斜偏置移相器可被實現為齒輪驅動的、長度可調U型波導節型或弧刷型的移相器，其被分布於沿著主面板96的兩行(每行用於一個極化)。此外，由單個旋鈕或電機驅動的齒輪所移動的單個有齒機架典型地可被用來以協同方式轉動所有傾斜偏置移相器，使得用於兩個極化的所有天線單元以協同方式進行傾斜偏置。
圖9是主面板96的前視圖。標出一個天線單元82用於參考。在此視圖中，可變功率分配器102A-B和配電網絡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，但未被標出，以避免遮住該圖。在此視圖中，難以看到波束形成模塊106A-B，因為它們被邊緣安裝於主面板96。
圖10帶有波束控制電路的天線部分的頂側的透視圖，其包括可變功率分配器102A-B和波束形成模塊106A-B。此例示圖提供了波束形成模塊106A-B和弧刷臂108A-B的較好視圖。圖11是相同的天線部分的底側的透視圖，其示出了電纜連接器90A-B和控制致動器92。
儘管此特定天線未包括可變傾斜偏置特徵，但它被配置成實現大約4.5度的下傾偏置，其中傾斜範圍是從兩度到七度。這通過使用中心樞軸方法而對傳輸媒介軌跡支線到子陣列的天線單元的長度進行變化而實現。特別地，從標稱的同相長度進行的軌跡長度調節可以就導波中的波長λg(在此特定實施例中為大約4.52英寸[11.48cm])而被表示如下第一(頂部)子陣列軌跡長度調節＝108.337度；第二子陣列軌跡長度調節＝36.112度；第三子陣列軌跡長度調節＝-36.112度；以及第四(底部)子陣列軌跡長度調節＝-108.337度。
此外，此特定天線被配置成實現相位模糊，如下文參考圖3所描述的那樣第一(頂部)子陣列、第一(頂部)單元軌跡長度調節＝30度第一子陣列、第二單元軌跡長度調節＝0度第一子陣列、第三單元軌跡長度調節＝-30度第二子陣列、第一單元軌跡長度調節＝15度第二子陣列、第二單元軌跡長度調節＝0度第二子陣列、第三單元軌跡長度調節＝-15度第三子陣列、第一單元軌跡長度調節＝15度第三子陣列、第二單元軌跡長度調節＝0度第三子陣列、第三單元軌跡長度調節＝-15度第四(底部)子陣列、第一單元軌跡長度調節＝30度第四子陣列、第二單元軌跡長度調節＝0度第四子陣列、第三單元軌跡長度調節＝-30度此天線的可選傾斜偏置和單元移相如下第一(頂部)子陣列軌跡長度調節＝101.25度；第二子陣列軌跡長度調節＝33.75度；第三子陣列軌跡長度調節＝-33.75度；以及第四子陣列軌跡長度調節＝-101.25度。
第一(頂部)子陣列、第一(頂部)單元軌跡長度調節＝33.75度第一子陣列、第二單元軌跡長度調節＝0度第一子陣列、第三(底部)單元軌跡長度調節＝-33.75度第二子陣列、第一單元軌跡長度調節＝16.875度第二子陣列、第二單元軌跡長度調節＝0度第二子陣列、第三單元軌跡長度調節＝-16.875度第三子陣列、第一單元軌跡長度調節＝16.875度第三子陣列、第二單元軌跡長度調節＝0度第三子陣列、第三單元軌跡長度調節＝-16.875度第四子陣列、第一單元軌跡長度調節＝33.75度第四子陣列、第二單元軌跡長度調節＝0度第四子陣列、第三單元軌跡長度調節＝-33.75度對於具有類似單元間隔的十六單元的陣列，可以實現具有相位模糊的3度傾斜偏置，如下文所示第一(頂部)子陣列軌跡長度調節＝122.062度；第二子陣列軌跡長度調節＝34.87度；第三子陣列軌跡長度調節＝-34.87度；以及第四子(底部)陣列軌跡長度調節＝-122.062度。
第一(頂部)子陣列、第一(頂部)單元軌跡長度調節＝67.5度第一子陣列、第二單元軌跡長度調節＝22.5度第一子陣列、第三單元軌跡長度調節＝-22.5度第一子陣列、第四(底部)單元軌跡長度調節＝-67.5度第二子陣列、第一單元軌跡長度調節＝16.875度第二子陣列、第二單元軌跡長度調節＝5.635度第二子陣列、第三單元軌跡長度調節＝-5.625度第二子陣列、第四單元軌跡長度調節＝-16.875度第三子陣列、第一單元軌跡長度調節＝16.875度第三子陣列、第二單元軌跡長度調節＝5.625度第三子陣列、第三單元軌跡長度調節＝-5.625度第三子陣列、第四單元軌跡長度調節＝-16.875度第四(底部)子陣列、第一單元軌跡長度調節＝67.5度第四子陣列、第二單元軌跡長度調節＝22.5度第四子陣列、第三單元軌跡長度調節＝-22.5度第四子陣列、第四單元軌跡長度調節＝-67.5度考慮到前文，將會理解，本發明提供了對於實現用於無線基站天線的垂直電下傾和旁瓣減小的顯著改進。應該理解，前文僅涉及本發明的示例性實施例，並且其中可做出多種變化，而不會背離如以下權利要求所定義的本發明的精神和範圍。
權利要求
1.一種天線系統，包括天線單元的陣列，用於限定視軸方向；可變功率分配器，用於使用單個可調節控制單元在電壓振幅分配範圍上將輸入電壓信號分為一對互補振幅電壓驅動信號；波束形成網絡，用於接收電壓驅動信號並產生多個波束驅動信號；配電網絡，用於將每個波束驅動信號發送到一個或多個相關聯的天線單元；以及所述波束驅動信號驅動天線單元發射波束，所述波束展示出響應於電壓振幅分配範圍內的電壓振幅分配的改變而在傾斜範圍內變化的相對於視軸方向的方向傾斜；以及場可調節傾斜方向致動器，用於調節電壓振幅分配並從而調節波束的方向傾斜。
2.如權利要求1所述的天線系統，還包括遠程控制器，用於控制所述場可調節傾斜方向致動器。
3.如權利要求1所述的天線系統，其中所述配電網絡實現對被發送到天線單元的波束驅動信號的協同移相，以致使有傾斜範圍的期望的傾斜偏置。
4.如權利要求3所述的天線系統，還包括場可調節傾斜偏置致動器，用於調節傾斜偏置。
5.如權利要求4所述的天線系統，還包括遠程控制器，用於控制所述場可調節傾斜偏置致動器。
6.如權利要求1所述的天線系統，其中所述天線單元被組織為一個或多個位於外部子陣列之間的內部子陣列；以及每個波束驅動信號驅動相關聯的天線子陣列。
7.如權利要求6所述的天線系統，其中，出於減小旁瓣發射的目的，外部子陣列中的天線單元的數量大於內部子陣列中的天線單元的數量。
8.如權利要求7所述的天線系統，其中外部子陣列的數量為二；內部子陣列的數量為二；每個外部子陣列中的天線單元的數量為四；以及每個內部子陣列中的天線單元的數量為二。
9.如權利要求7所述的天線系統，其中外部子陣列的數量為二；內部子陣列的數量為二；每個外部子陣列中的天線單元的數量為五；以及每個內部子陣列中的天線單元的數量為三。
10.如權利要求6所述的天線系統，其中，出於減小旁瓣發射的目的，所述配電網絡實現對被發送到一個或多個子陣列中的單元的波束驅動信號的協同移相，以致使對由外部子陣列的天線單元發射的信號的相位匹配進行所期望的模糊。
11.如權利要求10所述的天線系統，其中外部子陣列的數量為二；內部子陣列的數量為二；每個外部子陣列中的天線單元的數量為四；以及每個內部子陣列中的天線單元的數量為四。
12.如權利要求10所述的天線系統，其中外部子陣列的數量為二；內部子陣列的數量為二；每個外部子陣列中的天線單元的數量為三；以及每個內部子陣列中的天線單元的數量為三。
13.如權利要求6所述的天線系統，包括兩個外部子陣列和兩個內部子陣列，其中所述波束形成網絡是二乘四的正交波束形成網絡，並且每個波束驅動信號包括關聯於每個電壓驅動信號的波束分量。
14.如權利要求6所述的天線系統，包括兩個外部子陣列和兩個內部子陣列，其中所述波束形成網絡是四乘四的Butler矩陣，並且每個波束驅動信號包括關聯於每個電壓驅動信號的波束分量。
15.如權利要求1所述的天線系統，其中每個天線單元是雙極化天線單元，並且對於每一極化還包括類似的可變功率分配器、波束形成網絡以及配電網絡。
16.如權利要求15所述的天線系統，其中所述場可調節傾斜方向致動器互相機械地連結，以便用協同方式調節對於兩個極性的波束傾斜。
17.如權利要求6所述的天線系統，其中每個天線單元是雙極化天線單元，並且對於每一極化還包括類似的可變功率分配器、波束形成網絡以及配電網絡；以及其中所述配電網絡實現對被發送到子陣列的波束驅動信號的協同移相，以便對於每一極化產生傾斜範圍的所期望的傾斜偏置。
18.如權利要求17所述的天線系統，還包括場可調節傾斜偏置致動器，用於以協同方式調節對於兩個極性的傾斜偏置。
19.如權利要求1所述的天線系統，還包括基本上平的主面板，用於限定基本上垂直於視軸方向的縱向軸；所述主面板支持可變功率分配器、配電網絡、以及以具有基本上垂直的分布的間隔配置的天線單元的陣列，所述陣列被分為一個或多個垂直位於外部子陣列之間的內部子陣列；以及其中所述波束形成網絡被配置為安裝於主面板的、雙面的、邊緣相連的模塊。
20.一種天線系統，包括天線單元的陣列，用於限定視軸方向；可變功率分配器，用於接收輸入電壓信號，並將其分為一對相位匹配的、互補振幅電壓驅動信號，所述互補振幅電壓驅動信號通過可變功率分配器在電壓振幅分配範圍上展示出恆定的相位延遲；波束形成網絡，用於接收電壓驅動信號並產生多個波束驅動信號；配電網絡，用於將每個波束驅動信號發送到相關聯的子陣列；以及所述波束驅動信號驅動天線單元發射波束，所述波束展示出響應於電壓振幅分配範圍內的電壓振幅分配的改變而在傾斜範圍內變化的相對於視軸方向的方向傾斜。
21.如權利要求20所述的天線系統，還包括基本上平的主面板，用於限定基本上垂直於視軸方向的縱向軸；所述主面板支持可變功率分配器、配電網絡、以及以具有基本上垂直的分布的間隔配置的天線單元的陣列，所述陣列被分為一個或多個垂直位於外部子陣列之間的內部子陣列；以及其中所述波束形成網絡被配置為安裝於主面板的、雙面的、邊緣相連的模塊。
22.如權利要求21所述的天線系統，其中所述配電網絡實現對被發送到子陣列的波束驅動信號的協同移相，以致使有傾斜範圍的期望的傾斜偏置。
23.如權利要求21所述的天線系統，還包括場可調節傾斜偏置致動器，用於調節傾斜偏置。
24.如權利要求21所述的天線系統，其中，出於減小旁瓣發射的目的，外部子陣列中的天線單元的數量大於內部子陣列中的天線單元的數量。
25.如權利要求21所述的天線系統，其中，出於減小旁瓣發射的目的，所述配電網絡實現對被發送到一個或多個子陣列中的單元的波束驅動信號的協同移相，以致使對由外部子陣列的天線單元發射的信號的相位匹配進行所期望的模糊。
26.一種天線系統，包括天線單元的陣列，用於限定視軸方向和一個或多個位於外部子陣列之間的內部子陣列；可變功率分配器，用於在電壓振幅分配範圍上產生互補振幅電壓驅動信號；波束形成網絡，用於接收電壓驅動信號並產生多個波束驅動信號；配電網絡，用於將每個波束驅動信號發送到一個或多個相關聯的天線單元；所述波束驅動信號驅動天線單元發射波束，所述波束展示出響應於電壓振幅分配範圍內的電壓振幅分配的改變而在傾斜範圍內變化的相對於視軸方向的方向傾斜；以及其中配電網絡實現對被發送到子陣列的波束驅動信號的協同移相，以致使有傾斜範圍的期望的傾斜偏置。
27.如權利要求26所述的天線系統，還包括基本上平的主面板，用於限定基本上垂直於視軸方向的縱向軸；所述主面板支持可變功率分配器、配電網絡、以及以具有基本上垂直的分布的間隔配置的天線單元的陣列，所述陣列被分為一個或多個垂直位於外部子陣列之間的內部子陣列；以及其中所述波束形成網絡被配置為安裝於主面板的、雙面的、邊緣相連的模塊。
28.一種天線系統，包括天線單元的陣列，用於限定視軸方向和一個或多個位於外部子陣列之間的內部子陣列；可變功率分配器，用於在電壓振幅分配範圍上產生互補振幅電壓驅動信號；波束形成網絡，用於接收電壓驅動信號並產生多個波束驅動信號；配電網絡，用於將每個波束驅動信號發送到一個或多個相關聯的天線單元；所述波束驅動信號驅動天線單元發射波束，所述波束展示出響應於電壓振幅分配範圍內的電壓振幅分配的改變而在傾斜範圍內變化的相對於視軸方向的方向傾斜；其中出於減小旁瓣發射的目的，外部子陣列中的天線單元的數量大於內部子陣列中的天線單元的數量。
29.如權利要求26所述的天線系統，還包括基本上平的主面板，用於限定基本上垂直於視軸方向的縱向軸；所述主面板支持可變功率分配器、配電網絡、以及以具有基本上垂直的分布的間隔配置的天線單元的陣列，所述陣列被分為一個或多個垂直位於外部子陣列之間的內部子陣列；以及其中所述波束形成網絡被配置為安裝於主面板的、雙面的、邊緣相連的模塊。
30.一種天線系統，包括天線單元的陣列，用於限定視軸方向和一個或多個位於外部子陣列之間的內部子陣列；可變功率分配器，用於在電壓振幅分配範圍上產生互補振幅電壓驅動信號；波束形成網絡，用於接收電壓驅動信號並產生多個波束驅動信號；配電網絡，用於將每個波束驅動信號發送到一個或多個相關聯的天線單元；所述波束驅動信號驅動天線單元發射波束，所述波束展示出響應於電壓振幅分配範圍內的電壓振幅分配的改變而在傾斜範圍內變化的相對於視軸方向的方向傾斜；以及場可調節傾斜方向致動器，用於調節電壓振幅分配，並從而調節波束的方向傾斜；以及其中，出於減小旁瓣發射的目的，配電網絡實現對被發送到一個或多個子陣列的波束驅動信號的協同移相，以致使對由外部子陣列的天線單元發射的信號的相位匹配進行所期望的模糊。
31.如權利要求26所述的天線系統，還包括基本上平的主面板，用於限定基本上垂直於視軸方向的縱向軸；所述主面板支持可變功率分配器、配電網絡、以及以具有基本上垂直的分布的間隔配置的天線單元的陣列，所述陣列被分為一個或多個垂直位於外部子陣列之間的內部子陣列；以及其中所述波束形成網絡被配置為安裝於主面板的、雙面的、邊緣相連的模塊。
全文摘要
一種雙極化無線基站天線，其使用波束控制電路實現垂直電下傾和旁瓣減小，所述波束控制電路包括可變功率分配器和多波束的波束形成網絡。所述可變功率分配器包括單個可調節的控制單元，用於將輸入電壓信號分為一對互補振幅電壓驅動信號，其通過所述可變功率分配器展示出匹配的相位和恆定的相位延遲。所述波束形成網絡被配置為安裝於主面板的、雙面的、邊緣相連的微帶模塊，其支持以實現旁瓣減小的方式被組織為子陣列的垂直列中的天線單元。將波束控制網絡連接於天線單元的配電網絡通過藉助傳輸媒介軌跡長度調節所實現的協同移相而實現波束傾斜偏置和旁瓣減小。
文檔編號H01Q3/30GK1868089SQ200480025491
公開日2006年11月22日 申請日期2004年7月16日 優先權日2003年7月18日
發明者多納德·L.·魯尼恩, 詹姆斯·C.·卡森, 達林·M.·加諾斯克卡 申請人:Ems技術公司