專利名稱：改進型移相器和公共驅動的移相器的制作方法
技術領域：
本發(fā)明涉及無線基站天線系統(tǒng)，尤其涉及具有懸臂靴(cantilevershoe)的接帚型移相器以及包括公共驅動的移相器的雙極化天線。
背景技術：
本發(fā)明代表了對共同所有的2002年11月8日遞交的題為“Variable Power Divider(可變功率分頻器)”的美國專利申請序列號10/290,838和2002年8月23日遞交的題為“Microstrip Phase Shifter(微帶移相器)”的美國專利申請序列號10/226,641中描述的移相器的改進，這里通過引用將這兩個專利申請結合進來。這里將不會重復這些申請中描述的有關背景技術。此外，本說明書中描述的移相器可被部署在共同所有的2003年7月18日遞交的名稱為“Vertical ElectricalDowntilt Antenna(垂直電下傾天線)”的美國專利申請序列號10/623,379中描述的雙極化天線中，這里也通過引用將該專利申請結合進來。另外，與本發(fā)明的這個實施例有關的背景技術中該申請中描述，在這里將不再重復。
一般而言，無線基站天線市場的價格和性能競爭是很激烈的。因此，目前需要用于提供這些天線所需的技術特征的劃算的技術。例如，一般需要減小尺寸、成本、復雜度或活動零件數(shù)目的進步。當然，也需要精確和可重復的性能，以及強度、壽命和低維護成本。滿足這些相互競爭的設計目的對于天線的活動零件尤其具有挑戰(zhàn)性，所述活動零件例如是用于波束方向操縱的移相器以及用于可變功率分配器中的移相器，其中用于可變功率分配器中的移相器也可用于波束方向操縱。
特別地，常規(guī)移相器采用了沿著位于底板之上的傳輸介質(zhì)跡線滑動的接帚臂(wiper arm)，以實現(xiàn)差分移相器。例如，參見1994年11月25日公布的發(fā)明人為Mita Masaki和Tako Noriyuki的日本公布號06-326501。如果接帚臂失去與傳輸介質(zhì)跡線的電通信，則此類移相器可能會發(fā)生故障。由于無線基站天線一般是部署在建筑物或塔上的戶外位置的，因此它們會經(jīng)歷由溫度變化、風的振動和外力以及長時間中的其他類型的環(huán)境條件和變動導致的可變應力和尺寸變化。這些條件可能導致在移相器組件的元件之間的相對尺寸變化，這種變化會導致接帚器與傳輸介質(zhì)跡線的接觸程度發(fā)生變化。接帚接觸的變化，例如接帚臂部分分離，可能導致天線的操作性能變化。在極端情況下，接帚臂完全分離可能導致天線的操作故障。
用于解決接帚臂分離的一種常規(guī)方法在圖1中示出。此配置包括穿過底板2與傳輸介質(zhì)跡線5相鄰的槽縫1，以及從接帚臂4穿過槽縫的彈簧式定位螺釘3。此方法在維護接帚臂4和傳輸介質(zhì)跡線5之間的電通信方面非常有效，但是具有以下缺點需要穿過底板2的槽縫。這之所以成問題是因為在典型的無線基站天線中，底板充當用來將天氣元素排除在外的外壁。穿過底板切割出槽縫可能導致水進入天線，這可能導致天線短路、腐蝕，并且如果溫度下降的話會導致凍結。為了解決此問題，圖1中所示的移相器不使用底板2作為外圍壁，而是將底板收容在包括單獨的外壁7的外殼6中。提供此外壁，再加上底板2，以及外殼6內(nèi)用于支撐底板的支架，增加了天線的成本和復雜度。
此外，雙極化天線一般包括兩份致動器、傳輸和輻射元件每一份用于一個極化狀態(tài)。以常規(guī)方式為雙極化天線配備波束方向操縱移相器也要求兩份相移器和相關聯(lián)的致動器。這類重復可能是昂貴的，尤其是當移相器是用電機驅動的時，而電機驅動是遠程控制的操作所需要的。常常希望對于每個極化狀態(tài)以相似的方式改變相位以實現(xiàn)相應的特性。由于此原因，以協(xié)調(diào)的方式公共地操作移相器有利地消除了重復的元件。
因此，目前需要為包括雙極化天線在內(nèi)的無線基站天線實現(xiàn)移相器的更劃算的系統(tǒng)。還需要用于消除零件重復的雙極化天線的移相器。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明滿足了以上所述的對于適于用作無線基站天線的天線的需要，這種天線包括具有懸臂靴的接帚型移相器，該懸臂靴確保接帚臂上的電觸點與位于天線底板上的傳輸跡線保持電通信，而不依賴于穿過底板的元件，例如彈簧式定位螺釘。從而懸臂靴提供了一種接帚牽制機構，而無需穿過底板的孔或槽縫，這種孔或槽縫可能允許雨水或其他元素進入天線外殼內(nèi)。另外，與先前采用的較大、較笨重、較復雜、較昂貴的牽制機構相比，懸臂靴還是較小、較輕、較低維護且較不昂貴的接帚臂牽制機構。此外，將用于驅動接帚臂的電機放置在底板后部與接帚臂位置相對的位置上有利地避免了復雜的聯(lián)接元件。
本發(fā)明還實現(xiàn)在對于每個極化狀態(tài)包括一個接帚型移相器的雙極化天線中。接帚臂限定彼此嚙合的齒輪部分，這些齒輪部分允許一般位于底板后部與接帚臂的位置相對的位置上的單個致動器以協(xié)調(diào)的方式驅動兩個接帚臂。雙極化天線的每個接帚臂還可包括懸臂靴，以獲得此設計的益處，如上所述。
一般而言，本發(fā)明可實現(xiàn)在適用于諸如無線基站天線這樣的天線中的移相器，該移相器包括承載傳輸介質(zhì)跡線的底板，所述傳輸介質(zhì)跡線例如是通常稱為微帶跡線的雙導體帶狀線介質(zhì)。該移相器還包括可轉動地附接到所述底板并且承載跡線觸點的接帚臂。致動器使接帚臂相對于底板轉動，并且信號導體與跡線觸點發(fā)生電通信。移相器還包括懸臂靴，該懸臂靴包括跡線觸點偏動元件，該跡線觸點偏動元件被配置為使跡線觸點朝傳輸介質(zhì)跡線偏斜，以確保位于接帚臂上的跡線觸點與位于底板上的傳輸介質(zhì)跡線保持電通信。跡線觸點偏動元件一般包括與跡線觸點鄰近的彈簧式活塞。
以這種方式，懸臂靴確保跡線觸點與傳輸介質(zhì)跡線保持電通信，而不依賴于穿過底板的元件，例如彈簧式定位螺釘。移相器的信號導體還可包括承載在底板上的信號跡線，并且接帚臂可包括以電氣方式位于信號導體和跡線觸點之間的信號觸點。對于此配置，懸臂靴還包括信號觸點偏動元件，該信號觸點偏動元件被配置為使信號觸點朝信號跡線偏斜。例如，信號觸點偏動元件可包括與信號觸點鄰近的彈簧墊圈。
底板上的傳輸介質(zhì)與跡線觸點接帚臂之間的電通信可以是直接的，例如直流(DC)可在元件之間流動?；蛘?，此連接可以是電容耦合的，以使得只有變化的信號才能在元件之間流動。特別地，電容性絕緣層，例如低損耗介電片，可位于這些導電體之間，以防止DC信號的流動。此類絕緣層有利地抑制了導體彼此直接接觸時可能發(fā)生的互調(diào)制信號產(chǎn)物。沒有此類絕緣層，由于腐蝕和其他環(huán)境條件，可測量的非線性電流-電壓關系可能隨著時間的流逝而發(fā)展。
移相器可被手動或機械地(或兩者)操作，并且它可被本地或遠程地(或兩者)控制。因此，致動器可包括用于手動轉動接帚臂的旋鈕?；蛘呋蛄硗?，致動器可包括用于機械地轉動接帚臂的電機。移相器還可包括用于遠程地控制電機的控制器。一般，接帚臂位于底板的前側之上，電機位于底板的后側之上，優(yōu)選地與接帚臂的位置相對，以使致動器和接帚臂之間的聯(lián)接復雜度最小化。前側還可包括天線陣列的輻射元件。接帚臂還可限定齒輪部件，該齒輪部件用于使接帚與諸如驅動齒輪或另一接帚臂之類的另一元件連接。特別地，天線可包括兩個移相器，每個移相器包括以此方式嚙合的接帚臂，以導致接帚臂的協(xié)調(diào)的轉動。例如，每個移相器可驅動與雙極化天線的一個極化狀態(tài)相關聯(lián)的電路。
本發(fā)明還可部署為包括天線單元陣列和如上所述的具有懸臂靴的接帚型移相器的天線系統(tǒng)。天線系統(tǒng)還可包括波束形成網(wǎng)絡，其與移相器發(fā)生電通信，并且產(chǎn)生多個波束驅動信號；以及信號配給網(wǎng)絡，其將每個波束驅動信號遞送到一個或多個相關聯(lián)的天線單元。在此配置中，波束驅動信號驅動天線單元以形成展現(xiàn)這樣的方向的波束該方向響應于接帚臂的轉動而變化。在特定實施例中，移相器驅動電氣地位于移相器和波束形成網(wǎng)絡之間的可變功率分配器，以在電壓幅度分割范圍內(nèi)產(chǎn)生幅度互補的電壓驅動信號。
此外，每個天線單元可以是雙極化天線單元，并且對于每個極化狀態(tài)天線系統(tǒng)可包括類似的移相器、波束形成網(wǎng)絡和信號配給網(wǎng)絡。在此情況下，每個接帚可限定齒輪部件，該齒輪部件一般是直接切割到接帚臂的印刷電路(PC)板的介電襯底中的。每個極化狀態(tài)的接帚臂的齒輪部件一般彼此嚙合以導致接帚臂的協(xié)調(diào)的轉動。天線系統(tǒng)還可包括用于機械地轉動所述接帚臂的電機，以及用于遠程地控制所述電機的控制器。例如，接帚臂可位于底板的前側之上接帚臂的位置。
因此，將會理解，本發(fā)明也可部署為對于每個極化狀態(tài)包括一個移相器的雙極化天線，其中每個移相器包括與相關聯(lián)的微帶跡線發(fā)生滑動電通信的接帚臂。在此配置中，接帚臂限定齒輪部分，所述齒輪部分彼此嚙合并導致接帚臂以協(xié)調(diào)的方式運動。如上所述，接帚臂一般位于承載微帶跡線的底板的前側之上，并且用于機械地轉動接帚臂的電機一般位于底板的后側之上。此外，用于每個極化狀態(tài)的移相器對于每個接帚臂可包括一個懸臂靴，其使接帚臂朝其相關聯(lián)的微帶跡線偏斜。
考慮上述內(nèi)容，將會意識到本發(fā)明避免了現(xiàn)有的接帚型移相器和包括接帚型移相器的雙極化天線的缺陷。用于實現(xiàn)具有懸臂靴的接帚型移相器以及具有機械連接的接帚臂的雙極化天線，從而實現(xiàn)上述優(yōu)點的特定技術和結構，將從以下對實施例的詳細描述以及所附附圖和權利要求書中顯現(xiàn)出來。


圖1是常規(guī)接帚型移相器的分解透視圖，該移相器包括依賴于經(jīng)過移相器底板中的槽縫的彈簧式定位螺釘?shù)慕又惚蹱恐茩C構。
圖2是處于第一位置的具有懸臂靴牽制機構的一對接帚型移相器的頂視圖。
圖3是處于第二位置的圖2的移相器的頂視圖。
圖4是處于第三位置的圖2的移相器的頂視圖。
圖5是與混合接頭電路發(fā)生電通信以提供可變功率分配器的接帚型移相器的示意圖。
圖6是在完全安裝好元件之前發(fā)生在接帚型移相器中的接帚臂分離問題的概念性圖示。
圖7是用于解決圖6中所示的接帚臂分離問題的完全安裝好的懸臂靴的概念性圖示。
圖8是具有懸臂靴的移相器接帚臂分解透視頂視9是圖8的移相器接帚臂的分解透視底視圖。
圖10是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11是示出具有可調(diào)節(jié)傾斜偏置的垂直電下傾天線的圖。
圖12是垂直電下傾天線的功能性框圖。
圖13雙極化垂直電下傾天線的分解透視圖，該天線包括具有懸臂靴接帚臂牽制機構的一對公共驅動的接帚型移相器。
圖14是垂直電下傾天線的主面板的正視圖。
圖15是附接到天線底板的某個部件的波束方向操縱電路的前部的透視圖。
圖16是圖15的波束方向操縱電路的背部的透視圖。
圖17是用于操作接帚型移相器的手動致動器的頂部的透視圖。
圖18是圖17的手動致動器的底部的透視圖。
圖19是圖17的手動致動器的分解透視圖。
圖20是用于操作接帚型移相器的機動型致動器的頂部的透視圖。
圖21是圖20的機動型致動器的底部的透視圖。
圖22是圖20的機動型致動器的分解透視圖。
具體實施例方式
本發(fā)明可實現(xiàn)在諸如無線基站天線這樣的天線的接帚型移相器中，這種移相器包括懸臂靴接帚臂牽制機構。特別地，此類移相器可用于驅動控制天線形成的波束方向的波束方向操縱電路，就像垂直電下傾天線中那樣。但是，該移相器也可用于在方位角方向或任何其他所需方向上控制波束方向操縱。此外，該移相器可用于驅動除波束形成和波束方向操縱電路外的其他系統(tǒng)，例如功率分配器、模擬放大器、波束成形電路以及任何其他采用模擬移相器的電路。
本發(fā)明也可實現(xiàn)在包括公共驅動的接帚型移相器的雙極化天線中。特別地，雙極化天線的接帚臂通過直接切割到接帚臂的印刷電路(PC)板襯底中的齒輪端面以機械方式彼此連接。這使得公共電機能夠以協(xié)調(diào)的方式促動兩個接帚臂，這是諸如垂直電下傾這樣的波束方向操縱所需要的，在這種情況下協(xié)調(diào)的相移被應用到不同的天線單元組。應當意識到，同樣的技術可用于協(xié)調(diào)其他類型的接帚臂，例如那些控制不同天線子陣列、不同波束成形有電路等等的接帚臂。類似地，將會意識到接帚型移相器也可被部署在單極化天線中，并且還可用于協(xié)調(diào)用于其他用途的移相器或其他致動器。
將齒輪端面直接切割到PC板襯底中消除了對單獨的具有齒輪端面的元件的需要，以及將此單獨的帶齒輪的元件以機械方式耦合到接帚臂的需要。具有一體化的齒輪端面的接帚臂的雙重功能簡化了公共驅動接帚型移相器所需的機械組件，并且減少了雙重移相器組件中的分立元件的數(shù)目。這有利地降低了接帚臂組件的大小、復雜度和成本。
下文中描述的特定接帚型移相器是利用部署在介電PC板上的微帶RF電路構造成的。雖然微帶RF電路是實現(xiàn)許多設計目的所需的，但是應當理解天線電路的某些部分可以用其他類型的RF導體來實現(xiàn)，例如同軸電纜、波導、空氣微帶或三板帶狀線。實際上，特定商業(yè)雙極化天線的某些元件(例如移相器、可變功率分配器、配電網(wǎng)絡和天線單元)是用微帶構造成的，而其他元件(例如波束形成網(wǎng)絡)是用三板帶狀線構造成的。類似地，也可根據(jù)需要部署同軸、空氣微帶和其他類型的RF連接部件。
還應當理解，懸臂靴接帚臂牽制機構中采用的特定偏動元件包括彈簧式活塞和波浪形彈簧墊圈。但是，也可采用其他類型的適當?shù)钠珓釉?，例如彈簧片、弧形接帚臂、可壓縮材料等等。同時，還應當意識到，偏動元件對接帚臂施加的拖曳以及發(fā)生接觸的表面的摩擦很大程度上控制著機動型致動器的額定功率。因此，低摩擦表面以及提供充分但不過度的力的偏動元件是優(yōu)選的。此外，促進平滑、無束縛的接帚臂運動的偏動元件也是優(yōu)選的。由于這些原因，對于下述實施例指定了彈簧式滾珠活塞和彈簧墊圈偏動元件。
現(xiàn)轉到附圖，在幾幅附圖中，類似的標號始終是指類似的元件。圖1是現(xiàn)有技術接帚型移相器的分解透視圖，該移相器包括依賴于經(jīng)過移相器底板中的槽縫的彈簧式定位螺釘?shù)慕又惚蹱恐茩C構。如前所述，此特定移相器包括依賴于從弧刷臂4延伸穿過底板2中的槽縫1的彈簧式定位螺釘3的接帚臂牽制機構。穿過底板切割出槽縫使得底板不適于作為外圍壁。因此，底板被安裝在包括單獨的外壁7的外殼6內(nèi)。提供此外壁，再加上底板2，以及外殼6內(nèi)的用于支撐底板的支架，增加了天線的成本和復雜度。
圖2是處于第一位置“A”的分別具有懸臂靴牽制機構12A和12B的一對接帚型移相器10A和10B的頂視圖。此移相器通過用懸臂靴接帚牽制機構來避免了與上述移相器相關聯(lián)的缺陷，該機構確保了接帚臂上的電接觸保持與位于天線底板上的傳輸跡線的電通信，而不依賴于經(jīng)過諸如槽縫1這樣的穿過底板開口的元件，例如圖1中所示的彈簧式定位螺釘3。
移相器10A和10B分別包括接帚臂12A和12B，接帚臂12A和12B各自分別具有相關聯(lián)的懸臂靴14A和14B。接帚臂是用小段介電PC板形成的，所述介電PC板被用涂覆了錫的銅跡線蝕刻，所述涂覆了錫的銅跡線形成微帶傳輸介質(zhì)片段。介電PC板材料可以是PTFE特氟綸薄片，這是一種用玻璃纖維浸漬的薄片，具有等于2.2的相對介電常數(shù)(εr＝2.2)。此材料可用于構造展現(xiàn)1.85的有效介電常數(shù)(εreff＝1.85)的PC板，以用于一面暴露給PC板、另一面暴露給空氣、特性阻抗值為50歐姆的微帶傳輸介質(zhì)片段。
每個接帚臂12A和12B分別包括彼此嚙合的齒輪部分16A和16B。齒輪部分可以是具有齒形漸開線設計的正齒輪部件。16A和16B中的齒狀物幾何形狀沿每個齒狀物的本地軸對稱，每個齒狀物的形狀一般是相同的，并且對于每個齒輪，齒輪部分一般是相同的。由于此原因，接帚臂一般可以彼此交換，這從零件清點、天線組裝和天線維護角度來看都是合乎需要的。由于需要雙向驅動接帚，因此對稱的齒輪幾何形狀是有利的?？梢杂猛ǔ７Q為刳刨機的標準PC板銑削設備來加工漸開線齒輪幾何形狀。漸開線齒輪具有以下良好屬性中心間距離誤差不會轉化成角誤差。
齒輪部分16A和16B的這種各自嚙合使得兩個接帚臂都能用公共的手動或機動致動器以協(xié)調(diào)的方式轉動。參考圖2-5，接帚臂12A和12B可經(jīng)過一個運動范圍連續(xù)運動，該運動范圍是從圖3中所示的第一掃描限“B”，經(jīng)過圖2中所示的中心點“A”，到圖4中所示的第二掃描限“C”。圖5在示意圖上示出了同一個特征。一般而言，中心點“A”對應于標稱或零差分相移位置，位置“B”對應于一個方向上的最大差分相移(例如滯后某個參考相位值)，位置“C”對應于相反方向上的最大差分相位(例如超前該參考相位值)。對于波束方向操縱應用，波束方向一般響應于移相器設置的變化而變化。換言之，移相器操縱波束的方向。具體而言，每個移相器10A和10B可操縱雙極化天線的一個極化狀態(tài)的主波束的方向。更具體而言，這些移相器可以以協(xié)調(diào)的方式實現(xiàn)與雙極化天線的兩個極化狀態(tài)相對應的天線波束的垂直電下傾。
圖6是發(fā)生在接帚型移相器中的接帚臂分離問題的概念性圖示，為了描述方便，該圖例示了標示為移相器10的單接帚移相器。移相器10包括位于底板18上方的接帚臂12。一般而言，接帚臂12或底板18在制造時可以稍微有一點非平面，或者由于內(nèi)部或外部力(例如天氣元素)，隨著時間的流逝它們可能變成非平面。在圖6中，出于概念性目的，通過夸張的底板翹曲示出了這種非平面配置。此類非平面配置或作用可能導致底板18所承載的傳輸介質(zhì)跡線20失去與接帚臂12所承載的跡線觸點22的電通信。為了對抗此問題，懸臂靴14包括跡線觸點偏動元件24，在此示例中是由位于圓柱襯套30內(nèi)的彈簧26和滾珠28構成的彈簧式活塞，該襯套30具有一個唇緣，該唇緣的大小能夠保持滾珠，同時又允許它在襯套內(nèi)相對于彈簧力相反地運動。
底板18還承載信號導體32，在此示例中是微帶傳輸介質(zhì)電路。但是，應當理解，其他類型的信號導體，例如同軸電纜、空氣微帶或任何其他適當類型的RF信號導體，也可將信號攜帶到移相器。為了將信號從信號導體32傳導到跡線觸點22，接帚臂12承載位于信號導體上方的信號觸點34。為了確保信號觸點34與信號導體32保持電通信，懸臂靴14包括信號觸點偏動元件36，在此示例中是波浪型彈簧墊圈。信號觸點34和跡線觸點22一般是由微帶形成的，并且以承載在接帚臂12上的微帶跡線彼此相連，該接帚臂12可以是PC板的介電襯底。
如圖7中所示，將懸臂靴14朝接帚臂12方向擰緊使得偏動元件24、36與接帚臂相接觸，從而強制跡線觸點22朝向傳輸介質(zhì)跡線20方向，并且強制信號觸點34朝向信號導體32方向。這又確保了傳輸介質(zhì)跡線20與信號導體32保持電通信，同時允許接帚臂轉動，以改變移相器10的相位設置。應當注意，跡線觸點22和傳輸介質(zhì)跡線20不直接接觸，而是通過薄介電隔離物23以電容方式耦合，所述介電隔離物23例如是Santa Fe Springs，California的Shercon有限公司制造的介電常數(shù)約為3.5的背覆粘合劑的介電帶。介電隔離物23防止了金屬間接觸，從而降低了對接帚臂運動的抵抗力。介電帶還避免了微帶跡線的磨損，防止了束縛，并且防止了向RF電路中引入信號噪聲。類似地，信號觸點34和信號導體32不直接接觸，而是通過薄的介電隔離物23以電容方式耦合。
參考圖7，移相器10的構造以截面方式方便地示出。接帚臂12的頂層40是用玻璃浸漬的TEFLON薄片形成的介電PC板襯底，下一層42是涂覆了錫的銅微帶跡線，下一層44是介電隔離材料。下一層46是承載在底板18上的涂覆了錫的銅微帶傳輸介質(zhì)跡線。下一層48是底板的PC板襯底，該襯底是用薄介電粘合層50粘合到鋁基底52的，該粘合層一般是St.Paul，Minnesota的3M公司制造的VHB丙烯酸轉移粘合劑。懸臂靴14A的主體54一般優(yōu)選是由介電材料制造成的，并且一般是適當?shù)臏囟确€(wěn)定塑料，例如由General Electric公司制造的NYLON、ULTEM(填充30％玻璃的聚醚酰亞胺)，或任何其他適當?shù)囊r底。跡線觸點偏動元件24可以是針鼻型或球鼻型活塞，例如由作為Hutchinson Group公司的一部分的Barry Controls的一個部門Vlier Products制造的零件號為SPFB48的不銹鋼“球狀推入配合活塞”。
圖8是移相器接帚臂組件80的頂部的分解透視圖，圖9是組件的底部的相應視圖。該組件包括推入配合型扣環(huán)82，用于將組件保持在致動器軸上。推入配合型扣環(huán)位于懸臂靴54上方，該懸臂靴54支持跡線觸點偏動元件24和接收致動器軸的D形環(huán)襯套84，在此示例中跡線觸點偏動元件24是球鼻型活塞。信號觸點偏動元件36在此示例中是波浪型彈簧墊圈，其圍繞致動器軸，并且被夾在懸臂靴54和接帚臂的PC板86之間，其承載微帶跡線88，該微帶跡線88包括由微帶跡線94連接的信號觸點90和跡線觸點92。齒輪端面96被直接切割到接帚臂的PC板86中。微帶跡線88被介電隔離層98覆蓋，所述介電隔離層98例如是以上指定的Shercon帶。
或者，介電隔離層可以是常規(guī)PC板處理系統(tǒng)中的焊劑掩膜型涂層，或者它可以是由Orlando FL的Bairnco公司的一個部門ArlonMaterials for Electronics制造的稱為CPLTM的薄聚酯膜。CPLTM結構還可包括微帶跡線導體88，作為從標準PC板蝕刻過程定義的特征。
如圖10中所示，上述移相器可用來操縱遠程或本地控制的垂直電下傾天線110的波束的方向，該天線110適合于用作無線基站天線。此天線被配備為執(zhí)行天線發(fā)射出波束112的垂直電下傾。更具體而言，一般安裝在桿114、塔、建筑物或其他適當?shù)刂谓Y構上的天線110包括立式面板，該立式面板支撐多個天線單元。這些天線單元在瞄準線方向115(在圖11中示出)上發(fā)射波束112，該瞄準線方向115是當天線單元發(fā)射出的信號同相時波束的自然傳播方向。在圖10和11所示的特定示例中，天線110被安裝成其主面板垂直向下，這一般導致水平的瞄準線方向。這是無線基站天線的典型安裝配置。
從水平瞄準線方向115，一般提供某些機構以引導波束112向下朝向地平線。還希望具有可調(diào)節(jié)的波束下傾，以便波束可指向所需的地理覆蓋區(qū)域，在該區(qū)域中波束會被以適當?shù)膹姸冉邮?，還希望與發(fā)射到一般位于地理覆蓋區(qū)域外的區(qū)域的信號相區(qū)別。天線110是互易性的，并且在工作頻帶中的每個頻率下，操作接收模式下天線的屬性與發(fā)射模式的相同。天線110被配置為在范圍Θr內(nèi)實現(xiàn)可調(diào)節(jié)的波束下傾，該范圍在兩個邊界波束指向Θ1和Θ2之間延伸。傾斜范圍Θr一般還是從瞄準線方向向下偏斜的。例如，上傾斜邊界一般被設置為朝向水平方向，或者就在水平方向之下，并且傾斜范圍Θr一般延伸到約向下5度。例如，與水平方向成1至5度的傾斜范圍，以及與水平方向成2至7度的傾斜范圍對于具有12個或更多個輻射元件的天線陣列是典型的。但是，對傾斜偏置和傾斜范圍的選擇是設計選擇，這種選擇在不同應用間是可以變化的。
此外，傾斜偏置可以是固定的或可調(diào)節(jié)的。圖11通過示出天線110的三個傾斜偏置角，示出了可調(diào)節(jié)的傾斜偏置備選方案。對于具有可調(diào)節(jié)傾斜偏置的天線，此參數(shù)可被手動或機械地改變，并且它可以被本地或遠程地控制。
再次參考圖10，波束傾斜偏置和可調(diào)節(jié)傾斜范圍內(nèi)的傾斜角可以以若干種不同方式來控制。例如，一個或多個控制旋鈕可位于天線110本身之上，一般在主面板后方。但是，爬上114以調(diào)節(jié)波束傾斜可能是不方便的。因此，本地控制器116可被放置在適當?shù)奈恢锰帲鐥U基處，或者與基站收發(fā)器118(BTS)放置在一起。在此情況下，諸如伺服或步進式電機136這樣的電機根據(jù)來自本地控制器116的控制信號驅動傾斜控制。電機一般安裝在天線110的主面板的后部，但是也可位于任何其他適當?shù)奈恢?。此外，遠程控制器120可被用于遠程地控制波束傾斜。例如，遠程控制器120一般通過電話線122或其他適當?shù)耐ㄐ畔到y(tǒng)連接到本地控制器116。本地和遠程控制器可以是本領域中公知的任何適當?shù)目刂圃O備。
圖12是天線110的功能性框圖，該天線110包括波束方向操縱電路，該波束方向操縱電路包括可變功率分配器130和多波束波束形成網(wǎng)絡140，該可變功率分配器130包括一個或多個接帚型移相器?？勺児β史峙淦?30將電壓信號132分割成兩個幅度互補的電壓驅動信號，這兩個信號向多波束波束形成網(wǎng)絡140(BFN)提供輸入。波束形成網(wǎng)絡140又產(chǎn)生波束驅動信號142，該波束驅動信號142被配電網(wǎng)絡160發(fā)送到多元天線陣列150。配電網(wǎng)絡160適當?shù)胤指蠲總€波束驅動信號，以便遞送到多元天線陣列150的相關聯(lián)的子陣列。配電網(wǎng)絡160還包括傾斜偏置移相器144和相位模糊移相器145，它們通過傳輸介質(zhì)跡線長度調(diào)節(jié)，以協(xié)調(diào)的方式操縱波束方向操縱信號的相位特性，以便實現(xiàn)波束傾斜和旁瓣減小。
可變功率分配器130接收電壓信號132并將其分割成兩個電壓驅動信號V1和V2。正如本領域中公知的，電壓信號132一般包含編碼后的移動通信數(shù)據(jù)，并且是通過附接到天線110上的連接器的同軸電纜提供的。圖5(先前介紹)是可變功率分配器130的示意性圖示，在共同所有的2002年11月8日遞交的題為“Variable Power Divider(可變功率分頻器)”的美國專利申請序列號10/290,838對其有更詳細描述，這里通過引用將該專利申請結合進來?？勺児β史峙淦?30使用單個可調(diào)節(jié)控制元件12A(通常是微帶接帚臂)來將輸入電壓信號132分割成電壓驅動信號V1和V2，這兩個電壓驅動信號具有互補的幅度，并且在電壓幅度分割范圍內(nèi)具有基本上恒定的相位延遲。
更具體而言，V1和V2之和的幅度加起來是輸入電壓信號132的幅度，并且隨著功率在其間分配而彼此相反地變化。特別地，功率分配的范圍是從可調(diào)節(jié)控制元件12A處于圖5上標記為“C”的位置時的100％分配給V1、零分配給V2，到可調(diào)節(jié)控制元件12A處于圖5上標記為“B”的位置時的零分配給V1、100％分配給V2。此外，隨著可調(diào)節(jié)控制元件12A在位置“B”和“C”之間運動，功率分配在這兩個極端情況之間平滑地變化，其中“A”代表50％分配點。
除了具有互補的幅度外，電壓驅動信號V1和V2還展現(xiàn)了匹配的相位(即它們一直具有基本上相同的相位)以及經(jīng)過可變功率分配器130后基本上恒定的相位延遲。換言之，隨著功率分配在功率分配范圍內(nèi)變化，電壓驅動信號V1和V2相對于彼此以及相對于輸入電壓信號132的相位特性保持恒定。諸如控制旋鈕或電機這樣的致動器136被用于移動可調(diào)節(jié)控制元件12A，而該可調(diào)節(jié)控制元件12A又引起對波束傾斜的調(diào)節(jié)。這在圖5和12中示出，其中圖12中標記為“A”的波束傾斜位置對應于圖5中所示的可調(diào)節(jié)控制元件12A的位置“A”；圖12中標記為“B”的波束傾斜位置對應于圖5中所示的可調(diào)節(jié)控制元件12A的位置“B”；圖12中標記為“C”的波束傾斜位置對應于圖5中所示的可調(diào)節(jié)控制元件12A的位置“C”。
參考圖12，可變驅動信號V1和V2向多波束波束形成網(wǎng)絡140提供輸入信號，該波束形成網(wǎng)絡140通常被配置為正交二乘四波束形成網(wǎng)絡，或四乘四Butier矩陣，該矩陣的輸入端口中的兩個端口通過阻抗匹配電阻器被分路到地。這兩個配置，以及多個其他的信號處理模塊，都在共同所有的2003年7月18日遞交的名稱為“Double-Sided，Edge-Mounted Stripline Signal Processing Modules And ModularNetwork(雙面邊緣安裝型帶狀線信號處理模塊和模塊化網(wǎng)絡)”的美國專利申請序列號10/623,382中詳細描述，這里通過引用將該專利申請結合進來。雖然波束形成網(wǎng)絡140不需要被配置為雙面邊緣安裝型模塊，但是這種配置會產(chǎn)生許多優(yōu)點。
應當意識到，波束形成網(wǎng)絡140的輸出數(shù)目通常對應于天線子陣列的數(shù)目，因此可根據(jù)特定應用的需求而改變。雖然具有4個和8個子陣列的天線是常見的，但是其他配置，例如3個、5個和6個子陣列也是典型的。當然，可以適應任何所需數(shù)目的子陣列以及多種波束形成網(wǎng)絡。
圖13-16是垂直電下傾天線180的特定商業(yè)實施例的計算機輔助設計(CAD)按比例圖示，該天線180包括12個雙極化天線單元182。此天線是針對1.92GHz(這是經(jīng)授權的US個人通信服務PCS無線頻帶的中心頻率)的工作載波頻率設計的，并且天線單元間隔0.7自由空間波長，這約為4.6英寸。用于此天線的導電底板184是矩形的，其尺寸是56英寸長乘8英寸寬[約142cm乘20cm]。16單元天線相應地更長，72英寸長乘8英寸寬[約183cm乘20cm]，以適應具有相同間隔的四個附加的天線單元。天線屏蔽器186適配在底板上方并附接到底板。
天線180包括連接到底板184后側的兩個安裝支架188A-B、兩個同軸電纜天線接口連接器190A-B以及致動器旋鈕組件192。同軸電纜連接器190A-B接收提供兩個輸入電壓信號132(在圖12上示出)的同軸電纜，每個信號用于雙極化天線的一個極化狀態(tài)。主面板196的下側的導電接地板通過不導電粘合劑194粘附到底板184的前側。主面板印刷電路(PC)板196的導電接地板以電容方式耦合到底板184，以便RF信號流經(jīng)接頭。主面板196是被用涂覆了錫的銅跡線蝕刻的介電PC板，所述涂覆了錫的銅跡線形成傳輸介質(zhì)片段，所述傳輸介質(zhì)片段將電壓信號從同軸電纜連接器190A-B攜帶到天線單元182。更具體而言，傳輸介質(zhì)片段形成兩個基本上相同的波束方向操縱和配電電路198A-B，每個電路用于一個極化狀態(tài)。如前所述，主面板196的介電材料可以是PTFE特氟綸。
參考圖5、12和13，兩個可變功率分配器1102A-B(每一個用于一個極化狀態(tài)-圖12上的元件130)以及兩個配電網(wǎng)絡1104A-B(每個用于一個極化狀態(tài)-圖13上的元件160)被放置在主面板196上，而兩個波束形成網(wǎng)絡1106A-B(每一個用于一個極化狀態(tài)-圖3上的元件140)被實現(xiàn)為以焊接方式連接到主面板196的雙面邊緣安裝型模塊。兩個接帚臂1108A-B(每一個用于一個極化狀態(tài)-圖5上的元件12A)可轉動地附接到主面板196的可變功率分配器區(qū)域。接帚臂1108A-B是用經(jīng)蝕刻的銅跡線形成在小型介電PC板上的，類似于用來構造主面板的材料(但沒有接地板)，并且通過形成接帚臂的后部之中的鳩尾齒輪彼此機械耦合。這允許了兩個接帚臂被單個致動器旋鈕192(圖12上的元件136)以協(xié)調(diào)的方式運動。在機動型實施例中，致動器旋鈕組件192被安裝到底板184后部的小電機和機械驅動所取代，例如伺服或步進式電機。電機可被收容在適當?shù)耐鈿ぶ?，并且一般包括用于電功率和電機控制的相關聯(lián)的電子PC板組件。
此外，對于包括可變傾斜偏置的實施例，具有單獨的電機的齒條-齒輪驅動系統(tǒng)一般被附接到底板184的后側。在特定實施例中，傾斜偏置移相器可實現(xiàn)為齒輪驅動的長號型或接帚型移相器，這些實施例一般沿主面板196分布在兩行(每一行用于一個極化狀態(tài))中。此外，被單個旋鈕或電機驅動齒輪所移動的單個齒條可用于以協(xié)調(diào)的方式旋轉所有的傾斜偏置移相器，以便兩個極化狀態(tài)的所有天線單元都以協(xié)調(diào)的方式被傾斜偏置。
圖14是主面板196的正視圖。天線單元182之一被標記以供參考。在此視圖中稍微更清楚地示出了可變功率分配器1102A-B和配電網(wǎng)絡1104A-B。接帚臂1108A-B被示出在主面板196的中央，但是未被標記以避免在圖中喧賓奪主。在此視圖中難以看到波束形成模塊1106A-B，因為它們是邊緣安裝到主面板196的。
圖15是天線的承載波束方向操縱電路的部分的頂側的透視圖，該部分包括可變功率分割器1102A-B和波束形成模塊1106A-B。此圖示提供了波束形成模塊1106A-B和接帚臂1108A-B的更好的視圖。圖16是天線的同一個部分的底側的透視圖，它示出了電纜連接器190A-B和控制致動器192。
圖17是手動致動器192的頂部的透視圖，圖18是手動致動器的底部的透視圖，其示出了適配在圖8和9上示出的致動器臂襯套84中的致動器軸194。為了安裝穩(wěn)定性還提供了第二未致動軸196。圖19是手動致動器192的分解透視圖，其中包括通過兩個螺栓1904A-B連接到驅動軸1902的控制旋鈕1900。旋鈕1900承載球鼻型彈簧式活塞1906，該活塞充當以可移除方式適配在劃線平板1908上的定位孔中的制動機構。驅動軸1902合適地經(jīng)過帶法蘭盤軸承1910，并進入機架1912中。非驅動軸1914被機架1912的頂側上的e形環(huán)1916固定在適當位置。e形環(huán)1920和1922分別將驅動軸1902和非驅動軸1914固定在機架1912的下側。
圖20是用于操作接帚型移相器的機動型致動器2000的頂側的透視圖，圖21是機動型致動器的底側的透視圖。圖22是機動型致動器的分解透視圖，該致動器是電機驅動的旋轉致動器，它安裝在底板后部與手動致動器192相同的位置上，通常在底板上與圖15-16中所示的波束形成電路相對的位置處。機動型致動器2000包括機架2002，其支撐電纜連接器2004A-B，并防止內(nèi)部元件受天氣和殘骸的影響。機架2002由多個螺釘2010經(jīng)由襯墊2008固定到安裝板2006，以形成外殼。安裝板2006又由多個螺釘2014經(jīng)由襯墊2012固定到天線底板。外殼容納由一對支架2018、2012支撐的步進式電機2016。
特別地，步進式電機可以是工作在12伏特、0.4安培下的1.8度步進式電機，例如Shiano Kenshi有限公司制造的SST42D型。步進式電機2016被定制設計和制造的電子控制板(未示出)所控制，該電子控制板由支架2018支撐。電機驅動蝸輪2022，該蝸輪通過襯套2024和定位螺釘2026固定到電機的輸出軸。蝸輪又驅動正齒輪2028，該正齒輪2028驅動適配到接帚臂的致動器臂襯套84中的致動器臂，如圖8和9上所示。電位計2030跟蹤步進式電動機的位置。
考慮到上述內(nèi)容，將會意識到本發(fā)明提供了用于為包括雙極化天線在內(nèi)的無線基站天線實現(xiàn)接帚型移相器的顯著進步。應當理解，上述內(nèi)容只涉及本發(fā)明的典型實施例，在不脫離以下權利要求書所限定的本發(fā)明的精神和范圍的情況下，可對其做出許多種改變。
權利要求
1.一種移相器，包括底板，其承載傳輸介質(zhì)跡線；接帚臂，其可轉動地附接到所述底板并且承載跡線觸點；致動器，用于使所述接帚臂相對于所述底板轉動；信號導體，其與所述跡線觸點發(fā)生電通信；以及懸臂靴，其包括跡線觸點偏動元件，該跡線觸點偏動元件被配置為使所述跡線觸點朝所述傳輸介質(zhì)跡線偏斜。
2.如權利要求1所述的移相器，其中所述跡線觸點偏動元件包括與所述跡線觸點鄰近的彈簧式活塞。
3.如權利要求1所述的移相器，其中所述信號導體包括承載在所述底板上的信號跡線；所述接帚臂包括以電氣方式位于所述信號導體和所述跡線觸點之間的信號觸點；并且所述懸臂靴包括信號觸點偏動元件，該信號觸點偏動元件被配置為使所述信號觸點朝所述信號跡線偏斜。
4.如權利要求1所述的移相器，其中所述信號觸點偏動元件包括與所述信號觸點鄰近的彈簧墊圈。
5.如權利要求1所述的移相器，其中所述致動器包括用于手動轉動所述接帚臂的旋鈕。
6.如權利要求1所述的移相器，其中所述致動器包括用于機械地轉動所述接帚臂的電機。
7.如權利要求6所述的移相器，其中所述接帚臂位于所述底板的前側之上，并且所述電機位于所述底板的后側之上。
8.如權利要求6所述的移相器，還包括用于遠程地控制所述電機的控制器。
9.如權利要求1所述的移相器，其中所述接帚臂限定齒輪部件，該齒輪部件用于使所述接帚臂的運動與另一個元件協(xié)調(diào)。
10.如權利要求9所述的移相器，與第二相似移相器聯(lián)合，其中所述接帚臂的齒輪部件彼此嚙合以導致所述諸個接帚臂的協(xié)調(diào)轉動。
11.如權利要求10所述的移相器，其中每個移相器驅動雙極化天線的一個極化電路。
12.一種天線系統(tǒng)，包括天線單元陣列；移相器，包括底板，其承載傳輸介質(zhì)跡線；接帚臂，其可轉動地附接到所述底板并且承載跡線觸點；致動器，用于使所述接帚臂相對于所述底板轉動；信號導體，其與所述跡線觸點發(fā)生電通信；以及懸臂靴，其包括跡線觸點偏動元件，該跡線觸點偏動元件被配置為使所述跡線觸點朝所述傳輸介質(zhì)跡線偏斜；波束形成網(wǎng)絡，其與所述移相器發(fā)生電通信，并且產(chǎn)生多個波束驅動信號；信號配給網(wǎng)絡，其將每個波束驅動信號遞送到一個或多個相關聯(lián)的天線單元；并且所述波束驅動信號驅動所述天線單元以形成展現(xiàn)這樣的方向的波束其方向響應于所述接帚臂的轉動而變化。
13.如權利要求12所述的天線系統(tǒng)，其中所述移相器驅動以電氣方式位于所述移相器和所述波束形成網(wǎng)絡之間的可變功率分配器，以在電壓幅度分割范圍內(nèi)產(chǎn)生幅度互補的電壓驅動信號。
14.如權利要求12所述的天線系統(tǒng)，其中所述致動器包括用于機械地轉動所述接帚臂的電機。
15.如權利要求14所述的天線系統(tǒng)，還包括用于遠程地控制所述電機的控制器。
16.如權利要求12所述的天線系統(tǒng)，其中每個天線單元是雙極化天線單元，對于每個極化狀態(tài)還包括類似的移相器、波束形成網(wǎng)絡和信號配給網(wǎng)絡；每個接帚臂限定齒輪部件；以及所述接帚臂的齒輪部件彼此嚙合以導致所述接帚臂的協(xié)調(diào)轉動。
17.如權利要求16所述的天線系統(tǒng)，其中所述致動器包括用于機械地轉動所述接帚臂的電機。
18.如權利要求17所述的天線系統(tǒng)，還包括用于遠程地控制所述電機的控制器。
19.如權利要求18所述的天線系統(tǒng)，其中所述接帚臂位于所述底板的前側之上，所述電機位于所述底板的后側之上。
20.一種天線系統(tǒng)，包括天線單元陣列；移相器，包括底板，其承載傳輸介質(zhì)跡線；接帚臂，其可轉動地附接到所述底板并且承載跡線觸點；致動器，用于使所述接帚臂相對于所述底板轉動；信號導體，其與所述跡線觸點發(fā)生電通信；以及牽制機構，其包括跡線觸點偏動元件，該跡線觸點偏動元件被配置為使所述跡線觸點朝所述傳輸介質(zhì)跡線偏斜；可變功率分配器，其與所述移相器發(fā)生電通信，并在電壓幅度分割范圍內(nèi)產(chǎn)生幅度互補的電壓驅動信號；波束形成網(wǎng)絡，其接收所述電壓驅動信號，并且產(chǎn)生多個波束驅動信號；信號配給網(wǎng)絡，其將每個波束驅動信號遞送到一個或多個相關聯(lián)的天線單元；并且所述波束驅動信號驅動所述天線單元以形成展現(xiàn)相對于瞄準線方向的方向傾斜的波束該方向傾斜響應于所述電壓幅度分割在電壓幅度分割范圍內(nèi)的變化而在傾斜范圍內(nèi)變化。
21.如權利要求20所述的天線系統(tǒng)，其中每個天線單元是雙極化天線單元，對于每個極化狀態(tài)還包括類似的移相器、可變功率分配器、波束形成網(wǎng)絡和信號配給網(wǎng)絡；每個接帚臂限定齒輪部件；以及所述接帚臂的齒輪部件彼此嚙合以導致所述接帚臂的協(xié)調(diào)轉動。
22.如權利要求20所述的天線系統(tǒng)，其中所述接帚臂位于所述底板的前側之上，還包括位于所述底板的后側之上的電機以用于機械地轉動所述接帚臂。
23.如權利要求20所述的天線系統(tǒng)，其中所述牽制機構包括懸臂靴，該懸臂靴使所述跡線觸點朝所述傳輸介質(zhì)跡線偏斜，而不依賴于穿過所述底板與所述跡線觸點相鄰的元件。
24.一種天線系統(tǒng)，其包括移相器，該移相器具有接帚臂和懸臂靴，所述接帚臂與位于底板上的微帶跡線發(fā)生滑動電通信，所述懸臂靴被配置為使所述接帚臂朝所述微帶跡線偏斜。
25.一種天線系統(tǒng)，其包括移相器，該移相器具有接帚臂和牽制靴，所述接帚臂與位于底板上的微帶跡線發(fā)生滑動電通信，所述牽制靴被配置為在不耦合到一個穿過所述底板與所述跡線觸點相鄰的元件的情況下，使所述接帚臂朝所述微帶跡線偏斜。
26.一種雙極化天線，其對于每個極化狀態(tài)包括一個移相器，每個移相器具有與相關聯(lián)的微帶跡線發(fā)生滑動電通信的接帚臂，并且所述接帚臂限定齒輪部分，所述齒輪部分彼此嚙合并導致所述接帚臂以協(xié)調(diào)的方式運動。
27.如權利要求26所述的雙極化天線，其中所述接帚臂位于承載所述微帶跡線的底板的前側之上，還包括位于所述底板的后側之上的電機以用于機械地轉動所述接帚臂。
28.如權利要求26所述的雙極化天線，每個接帚臂還包括一個懸臂靴，以使所述接帚臂朝其相關聯(lián)的微帶跡線偏斜。
全文摘要
一種接帚型移相器，其具有懸臂靴，該懸臂靴確保接帚臂上的電觸點與位于天線底板上的傳輸跡線保持電通信，而不依賴于穿過底板的元件，例如彈簧式定位螺釘。從而懸臂靴提供了一種接帚牽制機構，而無需穿過底板的孔或槽縫，這種孔或槽縫可能允許雨水或其他元素進入天線外殼內(nèi)。一種雙極化天線對于每個極化狀態(tài)包括一個接帚型移相器。接帚臂限定彼此嚙合的齒輪部分，這些齒輪部分允許了一般位于底板后部與接帚臂位置相對的位置上的單個致動器以協(xié)調(diào)的方式驅動兩個接帚臂。該天線適合于用作無線基站天線。
文檔編號H01P1/20GK1864302SQ200480024773
公開日2006年11月15日 申請日期2004年8月27日 優(yōu)先權日2003年8月28日
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