小型化TD-SCDMA電調(diào)智能天線移相器
閱讀：1034發(fā)布：2020-06-09
專利匯可以提供小型化TD-SCDMA電調(diào)智能天線移相器專利檢索，專利查詢，專利分析的服務(wù)。并且本 發(fā)明 公開了一種應(yīng)用于TD-SCDMA電調(diào)智能天線的小型化 移相器 。此移相器的基本方案為：一條形狀為梳形的 帶狀線 位于上反射板與下反射板中間，懸空固定。介質(zhì) 塊 插入反射板與帶狀線之間，并且被機械傳動機構(gòu)帶動沿橫方向移動，以改變傳輸 信號 的 相位 。本發(fā)明中新穎的梳形帶狀線移相器與傳統(tǒng)的帶狀線移相器相比能夠在移相量相同的條件下大大縮小移相器的體積?；诒景l(fā)明的基本方案，合理的改變介質(zhì)塊的形狀，添加功分網(wǎng)絡(luò)，可構(gòu)成本發(fā)明的其它具體實施方案。，下面是小型化TD-SCDMA電調(diào)智能天線移相器專利的具體信息內(nèi)容。
1.一種小型化TD-SCDMA電調(diào)智能天線的移相器，包括上反射板、下反射板、位于上下反射板之間懸空固定的梳狀傳輸線、位于反射板與傳輸線之間的電介質(zhì)區(qū)域以及位于電介質(zhì)區(qū)域中的可滑動介質(zhì)塊，其特征在于，所述傳輸線為基于慢波結(jié)構(gòu)的梳狀傳輸線。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種小型化TD-SCDMA電調(diào)智能天線移相器，其特征在于包含至少一個可滑動介質(zhì)塊，各個介質(zhì)塊可用固定裝置連接起來。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的一種小型化TD-SCDMA電調(diào)智能天線的移相器，其特征在于固定裝置可與機械傳動機構(gòu)相連接。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的一種小型化TD-SCDMA電調(diào)智能天線移相器，其特征在于可滑動介質(zhì)塊在機械傳動機構(gòu)的帶動下沿橫向往返移動，以達到連續(xù)改變相位的目的。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種小型化TD-SCDMA電調(diào)智能天線移相器，其特征在于針對于不同的設(shè)計要求，介質(zhì)塊的材料、形狀和間距可以有所不同。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種小型化TD-SCDMA電調(diào)智能天線移相器，其特征在于電介質(zhì)區(qū)域由空氣填充。
小型化TD-SCDMA電調(diào)智能天線移相器
技術(shù)領(lǐng)域
[0001] 本發(fā)明屬于天線工程技術(shù)領(lǐng)域，具體來說是一種適用于TD-SCDMA基站電調(diào)智能天線的小型化移相器。
背景技術(shù)
[0002] 在移動通信迅速發(fā)展的今天，每個區(qū)域的不同時間用戶的數(shù)量、密度是不同的，為了適應(yīng)這種變化，達到最佳的收發(fā)狀態(tài)，常常需要調(diào)整天線波束的下傾角。
[0003] 在常規(guī)的通信基站中，天線波束下傾角的調(diào)諧是依靠安裝在天線上的機械傾斜裝置的。設(shè)備管理人員經(jīng)常需要攀爬到架設(shè)的天線上面，手工旋轉(zhuǎn)天線，以達到粗略調(diào)整波束傾角的目的。當然這種方法費時費力，完全不能滿足實時通信的需要。因此電可調(diào)的智能天線成為一種全新的發(fā)展趨勢。
[0004] 電調(diào)智能天線可在控制室內(nèi)利用電控開關(guān)或是電控機械裝置控制移相器，這樣可以很方便的改變各個陣元的饋電相位，從而改變整個天線陣的波束指向。這種方法節(jié)約了人力，同時可以做到基本無延時的調(diào)整波束下傾，完全能夠滿足不斷改變通訊條件的實時通信的需要。
[0006] 第一種方法典型的如中國專利96193925.7，是由三個單元組成的天線陣。該天線陣的移相器是由介質(zhì)微帶板，介質(zhì)滑動板和底板構(gòu)成。介質(zhì)微帶板上刻有微帶線和分支線。當介質(zhì)滑動板沿縱向移動時，與一個輻射體連接的微帶曲線段內(nèi)的信號傳輸速率被減小，與另一個輻射體連接的微帶曲線段內(nèi)的信號傳輸速率被增加。造成一個相位超前，另一個相位滯后，各自相對于中間的輻射單元的相位差分別是+p，-p，以此實現(xiàn)波束掃描。這種相位器存在有如下不足：隨著介質(zhì)片介電常數(shù)εr的增大，帶來的插入損耗也迅速增大，而高εr低插入損耗的介質(zhì)是很難得到的，而且價格極其昂貴。如果使用低εr的材料，要得到相同的相移，介質(zhì)塊滑動的距離就很大，必然會造成整個移相器的體積增大。可見這種移相器在減小體積，降低損耗，避免失配，降低成本等幾個方面均存在著很大的弊端。
[0007] 又如中國專利申請號03154962.4一種名為“混合移相器和功率分配器”的電調(diào)移相器，其可變移相器部分包括傳輸線和一個位于電介質(zhì)區(qū)域內(nèi)位置可變的電介質(zhì)片。電介質(zhì)片與傳輸線的位置決定了傳輸信號相位的改變。此種移相器在現(xiàn)有通信基站中已經(jīng)廣泛投入使用。但在一定的體積內(nèi)此種移相器的移相范圍顯得比較窄?；蛘哒f在達到一定移相范圍的條件下，這種結(jié)構(gòu)的電調(diào)移相器體積偏大，還有很大改進的空間。因此，若將該電調(diào)移相器直接應(yīng)用于TD-SCDMA智能天線，必然使天線尺寸大幅度增加。
[0008] 在改變信號傳送路徑長度的方法中，最典型的是中國專利申請?zhí)?0802132.5中描述的“高頻移相器組件”。其特征在于至少有另一個與第一帶狀導體段同心設(shè)置的帶狀導體段，備有另外的連接導線，由此至少間接地從饋電導線到各個配屬帶狀導體段的分接部分產(chǎn)生電連接，在至少兩個帶狀導體段上，在相互錯置的分接點上至少兩對不同的天線輻射器以不同的相位角可控。這種結(jié)構(gòu)非常節(jié)省空間，有較高的集成密度。但在這設(shè)計當中，要單憑大小弧之間的一級階梯變化實現(xiàn)多個輸出端口和輸入端口之間的阻抗匹配較為困難，這對于電調(diào)天線的傳輸特性和駐波比都有比較大的影響。
[0009] 同樣，在中國專利申請?zhí)?00480026435.8中描述了一種稱之為“具有功率分配功能的移相器”。這種移相器最大的特點是不像在常規(guī)移相器中包含的桿形相位延遲單元，此移相器的相位延遲單元形狀像弧形梳，這樣在輸出端和移相單元之間的信號距離較大，從而使信號延遲最大化。但是這種金屬間摩擦滑動式移相器存在一個很大的問題就是易腐蝕，且在大功率下金屬間非緊密連接易出現(xiàn)打火現(xiàn)象。且在不同下傾角工作的時候，天線的一致性變差。再者，這種移相器本身結(jié)構(gòu)復雜，成本較高，不利于大規(guī)模生產(chǎn)加工。
發(fā)明內(nèi)容
[0010] 本發(fā)明鑒于上述技術(shù)背景實現(xiàn)，目的在于提供一種電調(diào)移相裝置以解決上述問題。其新穎性在于通過對傳輸線結(jié)構(gòu)的發(fā)明和創(chuàng)新，可以使此移相器與傳統(tǒng)移相器相比能夠在同樣體積的情況下實現(xiàn)更大范圍的相移，或者說可以在與傳統(tǒng)移相器相移范圍等同的情況下顯著縮小移相器的尺寸。
[0011] 本發(fā)明提供了一種用于TD-SCDMA基站電調(diào)天線的小型化移相器，它包括以下基本方案和其它實施方案。
[0012] 此移相器的基本方案，包括上下反射板、可滑動介質(zhì)塊以及帶狀線。帶狀線位于上反射板與下反射板中間，懸空固定。介質(zhì)塊插入反射板與帶狀線之間，可被機械傳動機構(gòu)帶動其沿箭頭方向移動，以改變傳輸信號的相位。
[0013] 本發(fā)明突出的特點就是帶狀線使用梳形金屬條帶實現(xiàn)，以求擴大移相范圍或縮小移相器體積。另外，移相器在工作時，介質(zhì)塊在傳輸線與上下蓋板之間移動，只改變傳輸線上信號的相位延遲，不會影響傳輸線的特性阻抗。所以，天線在不同下傾角工作時，一致性良好。并且，由于上下蓋板的存在，能量被約束在上下蓋板之間，沒有輻射損耗；且上下蓋板與傳輸線之間介質(zhì)為空氣，介電常數(shù)穩(wěn)定，損耗小，這樣整個移相器的損耗就可以控制到很小。此種移相器只需要介質(zhì)塊沿特定方向移動即可以達到大幅度移相的目的，結(jié)構(gòu)極其簡單，因此成本低廉，便于大規(guī)模加工生產(chǎn)和使用。
[0014] 在本發(fā)明的一個實施方案中，介質(zhì)塊被做成階梯形和其它不規(guī)則圖形。這主要是為了達到在介質(zhì)滑動過程中對移相角度線性化的目的。即力求介質(zhì)塊每滑動一毫米，移相器對信號都產(chǎn)生相同的相移。
[0015] 在本發(fā)明的另一個實施方案中，多個移相器被應(yīng)用于帶有功率分配功能的移相網(wǎng)絡(luò)中，此功分移相網(wǎng)絡(luò)可對一天線陣列的各個陣元進行功率分配和可調(diào)移相。附圖說明：
[0016] 圖1為本發(fā)明——小型化TD-SCDMA電調(diào)智能天線移相器的頂視圖；
[0017] 圖2為本發(fā)明——小型化TD-SCDMA電調(diào)智能天線移相器的側(cè)視圖；
[0018] 圖3為本發(fā)明移相量的仿真結(jié)果圖。
[0019] 圖4為本發(fā)明實現(xiàn)相位線性變化的結(jié)構(gòu)示意圖；
[0020] 圖5為本發(fā)明應(yīng)用于功率分配網(wǎng)絡(luò)的示意阻；
[0021] 圖6為本發(fā)明應(yīng)用于六元均勻直線陣的示意圖。
[0022] 基本原理：
[0023] 眾所周知，電磁波在經(jīng)過一定長度l的傳輸線時，會產(chǎn)生相應(yīng)的相移，相移量[0024]
[0025] 其中
[0026] 由上式可見，相移量 隨著線長l和傳輸線的等效介電常數(shù)εr的增加而增大。
[0027] 在本發(fā)明的這種滑動介質(zhì)塊逐步改變傳輸線等效介電常數(shù)εr的機制中，傳輸線長度l越長，自然移相量就會越大。
[0028] 因此，我們把帶狀線改進成為梳形帶狀線。開敞式梳形是一種周期結(jié)構(gòu)，它的周期性邊界條件會對傳輸?shù)男盘柶鸬揭欢ǖ挠绊?，因此它是一種慢波結(jié)構(gòu)。傳輸信號通過這種慢波結(jié)構(gòu)時，就相當于傳輸線長度從l變?yōu)閘c，在同樣的介質(zhì)滑動的情況下，移相量 會變?yōu)樵瓉淼膌c/l倍。具體實施方案：
[0030] 在上反射板11和下反射板12中間，傳輸線2平行放置。此傳輸線2特別地被設(shè)計成梳狀結(jié)構(gòu)，其擁有一個輸入端口21和一個輸出端口22，輸入端口21和輸出端口22結(jié)構(gòu)相同，因此輸入端口與輸出端口可以互換，即傳輸?shù)男盘柨梢匝丶^B方向傳輸，也可沿B的反向傳輸。在此例中，此傳輸線2是由壓制黃銅或其它導電金屬材料制成。特別的，此傳輸線2也可在雙面覆銅的介質(zhì)板上蝕刻而成。此傳輸線2可由介質(zhì)支架或是別的其它別的結(jié)構(gòu)固定在上反射板11與下反射板12之間，與上下反射板保持平行。
[0031] 在傳輸線2與上反射板11之間是第一電介質(zhì)區(qū)域41，傳輸線2與下反射板12之間是第二電介質(zhì)區(qū)域42。這兩個電介質(zhì)區(qū)域均由空氣填充。
[0032] 此方案還包括位于第一電介質(zhì)區(qū)域41之間的可移動電介質(zhì)塊311、321、331與第二電介質(zhì)區(qū)域42間的可移動電介質(zhì)塊312、322、332。當然，介質(zhì)塊的數(shù)量不局限于此，不過方案中至少應(yīng)包括一個介質(zhì)塊。介質(zhì)塊可以沿箭頭A的方向和A的反向來回滑動，從而引起傳輸信號相位的改變。相位的改變量是介質(zhì)塊滑動距離的函數(shù)。介質(zhì)塊形狀及其間距不局限于圖中所示，設(shè)計人員可據(jù)需要改變介質(zhì)塊的數(shù)量、形狀和間距，以達到減小反射的目的。
[0034] 實施方案的具體操作：
[0035] 一微波信號從輸入端口21輸入，沿傳輸線2傳輸。此時，調(diào)整機械傳動機制，帶動位于傳輸線2與上反射板11之間的第一電介質(zhì)區(qū)域41中的介質(zhì)塊311、321、331和位于傳輸線2與下反射板12之間的第二電介質(zhì)區(qū)域42中的介質(zhì)塊312、322、332沿A向或A向的反向運動，即對傳輸線進行介質(zhì)加載。相比加載前或是加載的其它位置，傳輸線的等效介電常數(shù)就產(chǎn)生了變化，就是這個變化導致了傳輸信號相位的改變。
[0036] 相位的改變量根據(jù)等效介電常數(shù)的變化而定，也就是根據(jù)介質(zhì)塊插入電介質(zhì)區(qū)域41和42中的位置而定。比如說，一開始介質(zhì)塊滑動到A的反向最大值，此時，介質(zhì)塊對傳輸線的介質(zhì)加載作用是最小的，也就是說此時傳輸線的等效介電常數(shù)最小。根據(jù)式(1)和式(2)，此時輸出信號與輸入信號間的相位改變是最小的。隨著介質(zhì)塊沿A向不斷的滑動，對傳輸線的介質(zhì)加載作用就越來越明顯，傳輸線的等效介電常數(shù)也越來越大，據(jù)式(1)和式(2)描述，輸出端口相對于輸入端口的相位變化也越來越大。顯而易見，這種相位變化是介質(zhì)滑動位置的函數(shù)。
[0037] 當然，介質(zhì)塊的數(shù)量、形狀和間距不局限與圖中所示，只要能滿足逐步改變傳輸線等效介電常數(shù)的目的，均屬于本發(fā)明涉及范圍。
[0038] 圖3描述了本發(fā)明仿真的移相效果圖。圖中各個線條代表的是介質(zhì)塊沿A向滑動到不同位置時輸出端口的相位。圖示中d指的是介質(zhì)塊外沿距離梳狀金屬帶線外沿的長度(如圖1所示)。其中d＝0mm的位置是介質(zhì)片對金屬條帶影響最大的位置；d＝16mm的位置是介質(zhì)片對金屬帶影響最小的位置。如圖所示，本發(fā)明的這種實施方案使用較低介電常數(shù)的介質(zhì)片在長度小于100毫米的條件下實現(xiàn)了超過120度的相移。相比較目前已經(jīng)投入使用的移相器，本發(fā)明的這種實施方案在體積相同的條件下，移相量增加了一倍多；并且使用了較低介電常數(shù)的介質(zhì)板，大大節(jié)約了生產(chǎn)成本。
[0039] 圖4描述了本發(fā)明的第二種實施方案。在此方案中，介質(zhì)塊311、321、331、312、322、332被做成階梯狀或其他不規(guī)則形狀。這樣做的目的是要在介質(zhì)塊滑動的過程中產(chǎn)生線性的相位變化。比如說，介質(zhì)塊沿A向滑動的范圍是15毫米，在此過程中總的相位變化是120度，那么我們所做的就是使介質(zhì)塊每滑動1毫米，相位變化8度。當然，介質(zhì)塊的數(shù)量、形狀和間距不局限于圖中所示，只要能滿足相位線性變化的目的，均屬于本方案涉及范圍。
[0040] 圖5描述了本發(fā)明的第三種實施方案。在這種方案中，多個移相器被應(yīng)用于帶有功率分配功能的移相網(wǎng)絡(luò)中，構(gòu)成多級功率分配器和移相器。圖示結(jié)構(gòu)為三級功率分配和移相網(wǎng)絡(luò)。如圖所示，此結(jié)構(gòu)包括三個移相器01、02、03和三個功率分配結(jié)構(gòu)51、52、53。一個輸入端口21，三個輸出端口22、23、24。其中，每一級結(jié)構(gòu)都包括一個移相器、一個功分器、一個輸入端口和兩個輸出端口(最后一級只有一個輸出端口)，每一級的輸入端口都是上一級的輸出端口。具體來說，第一級結(jié)構(gòu)包括移相器01、功分器51、輸入端口21和輸出端口23、25，第二級結(jié)構(gòu)包括移相器02、功分器52輸入端口25和輸出端口24、26，第三級結(jié)構(gòu)包括移相器03、功分器53輸入端口26和輸出端口22。
[0041] 當然，這種功率分配與移相網(wǎng)絡(luò)不局限于圖中所示，工程設(shè)計人員可以根據(jù)工程需要設(shè)計網(wǎng)絡(luò)的級數(shù)以及調(diào)整各個端口輸出功率的比值。
[0042] 圖6描述了本發(fā)明的一個應(yīng)用實例，即把本發(fā)明應(yīng)用到一個三元天線陣列中。如圖中所示，此天線陣的饋電網(wǎng)絡(luò)為第三種實施方案中描述的功率分配與移相網(wǎng)絡(luò)，天線001、002、003、004、005、006分別通過同軸電纜依次連接到功率分配與移相網(wǎng)絡(luò)的各個輸出端口。這樣，通過調(diào)節(jié)連接各個移相器的機械傳動機構(gòu)，就可以很方便快捷的改變各個天線的饋電相位，從而改變此天線陣的波束下傾角。
[0043] 以上是向熟悉本發(fā)明領(lǐng)域的工程技術(shù)人員提供的對本發(fā)明及其實施方案的描述，這些描述應(yīng)被視為是說明性的，而非限定性的。工程技術(shù)人員可據(jù)此發(fā)明權(quán)利要求書中的思想做具體的操作實施，自然也可以據(jù)以上所述對各種實施方案做一系列的變更。而且，本發(fā)明并不局限于TD-SCDMA頻段，本發(fā)明的思想自然可以移植到其它不同的頻段的移相器。上述這些都應(yīng)被視為本發(fā)明的涉及范圍。
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