專利名稱：一種基于螺旋慢波線的小型化電調智能天線移相器的制作方法
技術領域：
本發(fā)明屬于天線工程技術領域，涉及到一種移相器，具體來說是一種用于基 站電調天線的小型化移相器，其在無線通信系統(tǒng)中的功能是可以使基站天線的波 束產生傾斜。
背景技術：
在無線通信迅速發(fā)展的今天，作為信號發(fā)送和接收的主要載體，基站天線對 無線通信系統(tǒng)的網絡構建起著舉足輕重的作用。在實際運用中，天線在安裝到發(fā) 射塔上后，往往需要實時的對天線波瓣圖的下傾角進行調節(jié)以適應不同區(qū)域、不 同時間、不同用戶數量、不同信道環(huán)境的需要。
在常規(guī)的通信基站中，調節(jié)天線波束的下傾角需要設備管理人員攀爬到安裝 天線的發(fā)射塔上，手工調諧安裝在天線上的機械調整裝置。當然這種方法不安全 且不能滿足對下傾角進行實時調整的需要。正是安裝工程及網絡優(yōu)化的強烈需 求，基站電調智能天線成了無線通信系統(tǒng)網絡構架中至關重要的一環(huán)。
電調智能天線可在控制室內操作電控機械裝置控制移相器，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。因此，移相器在移動通信基站中的作用顯而易見，而對移向范圍大、 傳輸損耗小、體積小、加工成本低的移相器的設計研究，也成為發(fā)展移動通信技 術非常重要的一部分。
中外學者在對移相器的研究方面做了許多工作，也研制了許多性能結構優(yōu)良 的移相器。典型的如中國專利03154962. 4 —種名為"混合移相器和功率分配器" 的電調移相器，其包括傳輸線和一個位于電介質區(qū)域內位置可變的電介質片。電 介質片與傳輸線的位置決定了傳輸信號相位的改變。此移相器因其加工成本低、 插入損耗小，在現有通信基站中己經廣泛投入使用。但是此移相器在體積方面還 有很大可優(yōu)化的空間。在基站天線陣列中移相器的使用量非常大，它體積的減小 可以為基站天線陣的小型化奠定重要的基礎。又如中國專利申請?zhí)?0802132. 5中描述的"高頻移相器組件"。其特征在 于至少有一個與第一帶狀導體段同心設置的帶狀導體段，備有連接導線，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。這種結構非常節(jié)省空間，有較高的集成密度。但在這設計當中，要單憑 大小弧之間的一級階梯變化實現多個輸出端口和輸入端口之間的阻抗匹配較為 困難，這對于電調天線的傳輸特性和駐波比都有比較大的影響。

發(fā)明內容
本發(fā)明鑒于上述技術背景實現，目的在于對現有技術存在的問題加以研究和 解決，提出了一種新的電調移向裝置。該裝置通過對傳輸線形式的發(fā)明和創(chuàng)新， 采用螺旋慢波線形式設計出了一種移相范圍大、插入損耗小、成本低廉、便于加 工生產，最重要的一點就是體積較之傳統(tǒng)移相器大幅度縮小的新型移相器。
該移相器適用與3G無線通信網絡的基站電調智能天線，它的基本結構包括 金屬盒部分、傳輸線部分和位置可變的介質片部分。金屬盒部分主要起到屏蔽和 反射作用。傳輸線部分由蝕刻在雙面覆銅介質板上的螺旋銅帶構成，固定于金屬 盒上下蓋板之間。位置可變的介質片部分插入于金屬盒上下蓋板與傳輸線部分之 間，可由機械傳動機構帶動，改變其與傳輸線部分的相對位置，此相對位置決定 了移相器輸出信號的,位。
本發(fā)明最大的新穎性在于傳輸線部分用蝕刻在雙面覆銅介質板上的螺旋銅 帶構成，這樣就構成了一個典型的慢波系統(tǒng)，在一定的空間內，傳輸線的等效長 度得到大幅度的增加。由相位移的經典公式厶^ = / / = 2^/^可知，相移量Ap隨
著傳輸線長度/的增加而增大。本設計就是利用這一特點，使用螺旋結構增大傳 輸線的等效長度，從而與傳統(tǒng)使用三板帶狀線的移相器相比，能夠在一定體積內 增大移相器的相移范圍，或者說在達到同樣相移范圍的條件下可以大幅度的縮小 移相器整體的體積。
本發(fā)明的特點還不僅僅是小型化。移相器在工作時，介質板在傳輸線與金屬 盒的上下蓋板之間移動，改變傳輸線上信號的相位延遲，當然，在介質板與空氣 介質的交界處會存在不連續(xù)性，但可以通過調整介質板的形狀和間距，弱化這種不連續(xù)性。因此，天線在不同下傾角工作時， 一致性良好。并且，由于金屬盒的 存在，能量被約束在上下蓋板之間，沒有輻射損耗，而且還可以起到屏蔽外界干 擾的作用。另外，金屬盒中介質為空氣填充，介電常數穩(wěn)定，損耗小，這樣整個 移相器的損耗就可以控制到很小。還有，此移相器只需要介質板沿特定方向移動 即可以達到大幅度移相的目的，結構極其簡單，成本低廉，便于大規(guī)模加工生產 和使用。
在本發(fā)明的一個實施方案中，雙面覆銅介質板在上下兩面銅帶對應的相應位 置打過孔以代替介質板側壁覆銅，這主要是出于制作工藝和加工成本的考慮。而 這樣做對移相器的相移量、駐波系數等各項指標影響都非常小，是一種易加工生 產的完全可行的實施方案。
在本發(fā)明的一個實施方案中，介質塊被做成階梯形或是其它不規(guī)則圖形。這 主要是為了達到在介質滑動過程中對移相角度線性化的目的。即力求介質塊每滑 動一毫米，移相器對信號都產生相同的相移。
在本發(fā)明的一個實施方案中，兩個甚至多個此移相器上下疊加，相鄰兩者之 間共用一塊金屬接地板，實現多移相器并行移相。
在本發(fā)明的一個實施方案中，多個移相器被應用于帶有功率分配功能的移相 網絡中，此功分移相網絡可對一副天線陣列的各個陣元進行功率分配和可調移 相。


圖1為本發(fā)明——基于螺旋慢波線的小型化電調智能天線移相器的頂視圖； 圖2為本發(fā)明——基于螺旋慢波線的小型化電調智能天線移相器的側視圖； 圖3為本發(fā)明移相范圍的仿真結果圖； 圖4為本發(fā)明用通孔代替?zhèn)缺诟层~的介質板的頂視圖； 圖5為本發(fā)明兩移相器共用地板并行移向的側視圖； 圖6為本發(fā)明實現相位線性變化的結構示意圖； 圖7為本發(fā)明應用于功率分配網絡的示意圖； 圖8為本發(fā)明應用于六元均勻直線陣的示意圖。 具體實施方案-
圖1和圖2示例性的描述了以一種基本實施方案實現的用于基站電調智能天線的移相器裝置。依圖示描述，此裝置主要包括金屬盒部分、傳輸線部分以及 可滑動介質片部分。
金屬盒部分l由鋁板制成，當然也可以由其它金屬材料制成。該金屬盒主要 起到反射內部電磁波以及屏蔽外界干擾的作用。
傳輸線部分2依靠介質支架或是其它剛性結構(圖中未示出)固定于金屬盒 l中，與金屬盒上反射板ll、下反射板12平行。特別的，在本發(fā)明中，此傳輸 線被設計成一種螺旋結構。具體來講是在一個介電常數較小的雙面覆銅介質板 24上蝕刻出呈一定規(guī)律交替出現的銅帶，在介質板側壁的相應位置覆銅 231-236，這樣就在介質板上構成了螺旋狀的銅帶23。此傳輸線包括一個輸入端 口 21和一個輸出端口 22，輸入與輸出端口位于被蝕刻介質板的兩面，結構相同， 且對稱存在，因此在需要時可以互換使用。
在傳輸線部分2與上反射板11之間是第一電介質區(qū)域331，傳輸線部分2 與下反射板12之間是第二電介質區(qū)域332。這兩個電介質區(qū)域均由空氣填充。
可滑動介質片部分分為兩組，第一組由位于第一電介質區(qū)域331的介質片 311、 312、 313、 314構成，第二組由位于第二電介質區(qū)域的介質片321、 322、 323、 324構成。圖中示出這兩組介質片大小及間距都完全一樣。當然這是種特 例。通常，介質片不僅僅局限于兩組每組四片，也不局限于兩組完全一致。工程 設計人員可根據需要改變任何一個介質片的形狀和位置。
在此例中，兩組介質片均固定于剛性結構315上，剛性結構315可與機械步 進馬達或其他機械傳動機制連接(圖中未畫出)，沿^的方向滑動，使介質片對 傳輸線部分進行不同程度的覆蓋，從而影響傳輸結構的相對介電常數，以達到改 變輸出信號相位的目的。當然，輸出信號相位的改變量是介質片滑動距離^的函 數。
接下來描述的是此實施方案的具體操作。
一個微波信號從移相器的輸入端口21輸入，沿著傳輸線2傳輸。當信號傳 到第一和第二電介質區(qū)域的時候，就會從空氣介質區(qū)域進入交疊電介質片的區(qū) 域。沿d向滑動位于傳輸線2和反射板ll之間第一電介質區(qū)域331內的介質塊 311、 312、 313、 314和位于傳輸線2與下反射板12之間的第二電介質區(qū)域332 中的介質塊321、 322、 323、 324，對傳輸線進行電介質加載。這種電介質加載改變了傳輸線的相對介電常數，使得波長產生變化，因此，輸出端口的微波信號相位也會產生相應的變化。
由以上表述可見，輸出端口信號相位的改變與電介質加載的多少有直接關系，也就是說與介質片到傳輸線的距離d有關。即對應介質片在電介質區(qū)域連續(xù)變化的不同位置，信號在輸出端口的相位就會呈現出以遞增或遞減規(guī)律的變化。具體來說，t/取最大值的時候，介質片對傳輸線的介質加載作用是最小的，也就是說此時傳輸線等效介電常數最小，傳輸信號波長最長，輸出端口信號相位最大。隨著介質片連續(xù)向傳輸線方向滑動，介質的加載作用越來越明顯，傳輸的信號波長慢慢變小，輸出端口信號的相位就會以遞減的方式變化。直到介質片對傳輸線實現最大程度覆蓋的時候，傳輸線等效介電常數最大，傳輸信號波長最小，輸出端口信號的相位也最小。最小相位與最大相位的差即此類移相器的相移范圍。顯而易見，這種相位的變化是介質片滑動位置的函數。我們可以通過調節(jié)固定有介質片的機械傳動裝置及時的方便的調節(jié)介質片的位置，從而調整移相器的相移量。
當然，介質塊的數量、形狀和間距不局限于圖中所示，只要能滿足逐步對傳輸線進行介質加載的目的，均屬于本發(fā)明涉及范圍。
圖3為本發(fā)明移相范圍的仿真結果圖。圖中各條線代表的是d的不同取值時輸出端口的相位。其中d指的是介質片外沿距傳輸線部分的介質板外沿的長度(如圖l所示)。圖中甴是介質片距傳輸線最遠的位置，也就是介質加載作用最弱的位置；辦是介質加載作用最強的位置；另外在23mm和3mm之間每隔2mm依次取了 18個點，用來描述輸出信號相位的逐漸變化。如圖所示，本發(fā)明的基本實施方案可以在整個頻帶內實現120°的相位移動，而如圖l、圖2所示的移相器的最大長度還不足70mm。較之目前已經投入使用的滑動介質型的移相器來說，在實現同樣移相量的前提下，整體長度約為原來的三分之一。并且此移相器使用的介質板或是介質片都是介電常數在2. 0-3. 0左右很容易獲得的介質材料，加工精度要求也不太高，這都為其低成本和大規(guī)模的加工生產提供了條件。
圖4描述的是本發(fā)明用打過孔的方式代替?zhèn)缺诟层~方式的介質板。如基本實施方案中所提到的在介質板上蝕刻出螺旋狀的銅帶，需要在介質板側壁覆銅。但是這種側壁覆銅技術難度很大。因此，出于降低加工的技術難度，節(jié)約成本的方面考慮，此例中在相應的位置打過孔以代替?zhèn)缺诟层~。實驗證明，這種做法對移相器的駐波系數、移相范圍和插入損耗等各項技術指標影響均很小，是一種經濟實用且簡便的實施方案。
圖5描述了本發(fā)明的一種實施方案。在此方案中，兩個移相器上下層疊，共用中間的地板，并行移相。當然此方案并不局限于兩個移相器，三個或多個移相器層疊放置，每兩個之間共用一層地板的結構也屬于此方案囊括范圍。
圖6描述了本發(fā)明的另一種實施方案。在此方案中，位于第一電介質區(qū)域的介質片311、 312、 313、 314和位于第二電介質區(qū)域的介質片321、 322、 323、324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片滑動的過程中產生線性的相位變化。也就是說，介質塊沿d向滑動的范圍是20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塊每滑動1毫米，相位變化6度。當然，介質塊的數量、形狀和間距不局限于圖中所示，只要能滿足使相位呈線性變化的目的，均屬于本方案的涉及范圍。
圖5描述了本發(fā)明的又一種實施方案。如圖所示，在此方案中，三個此類移相器應用于帶有功率分配功能的饋電網絡中。圖示饋電網絡包括移相器Ol、 02、03，功率分配結構41、 42、 43，每一個移相器和對應的一個功率分配結構構成一級，所以圖示為三級功分移相饋電網絡。另外，每一級結構還都包括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其中一個輸出端口。具體來說第一級結構包含移相器Ol，功分結構41、輸入端口 21和輸出端口 22、 25;。第二級結構包含移相器02，功分結構42、輸入端口 22和輸出端口 23、 26;第三級結構包含移相器03，功分結構43、輸入端口 23和輸出端口 24。因此整個三級功分移相饋電網絡共有一個輸入端口 21和三個輸出端口 24、 25、 26。當然，此實施方案涉及的功分移相饋電網絡并不局限于三級，也不局限于圖中所示的串聯饋電。任何以并聯或串聯方式使用此移相器構成的功分移相饋電網路均應屬于此實施方案的涉及范圍。
圖8描述了本發(fā)明的一個應用實例，即把本發(fā)明應用到一個六元等間距直線陣中。如圖中所示，此天線陣的饋電網絡為上述實施方案中描述的功率分配與移相網絡，天線OOl、 002、 003、 004、 005、 006分別通過同軸電纜依次連接到功分移相饋電網絡的各個輸出端口。這樣，通過調節(jié)連接各個移相器的機械傳動機構，就可以方便快捷的改變各個天線的饋電相位，從而實時調整此天線陣的波束下傾角。
以上是向熟悉本發(fā)明領域的工程技術人員提供的對本發(fā)明及其實施方案的描述，這些描述應被視為是說明性的，而非限定性的。工程技術人員可據此發(fā)明權利要求書中的思想做具體的操作實施，自然也可以據以上所述對各種實施方案做一系列的變更。而且，本發(fā)明的設計思想并不局限于使用在3G網絡基站電調智能天線上，這種思想自然可以移植到其它不同的頻段的移相器。上述這些都應被視為本發(fā)明的涉及范圍。
權利要求
1.一種用于3G無線通信網絡基站電調智能天線的基于螺旋慢波線的小型化移相器，包括金屬盒、可滑動介質片部分以及傳輸線部分。傳輸線部分固定于金屬盒的上蓋板與下蓋板之間。介質片部分插入金屬盒上下蓋板板與傳輸線之間。
2. 根據權利要求l所述的一種用于基站電調智能天線的小型化移相器，其特征在于至少包含一個可滑動介質片，各個介質片可用鋼性固定裝置連接起來。
3. 根據權利要求1和2所述的一種用于基站電調智能天線的小型化移相器，其特征在于固定裝置可與機械傳動機構相連接。
4. 根據權利要求l所述的一種用于基站電調智能天線的小型化移相器，其特征在于介質片的形狀和間距可以有所調整，以滿足不同的設計要求。
5. 根據權利要求l所述的一種用于基站電調智能天線的小型化移相器，其特征在于可滑動介質片在機械傳動機構的帶動下可連續(xù)改變其與傳輸線部分的位置，以實現對傳輸線部分不同程度的覆蓋，即不同程度的影響傳輸線部分的等效介電常數，以達到連續(xù)改變相位的目的。
6. 根據權利要求l所述的一種用于基站電調智能天線的小型化移相器，其特征在固定于金屬盒兩蓋板之間的傳輸線部分由蝕刻在雙面覆銅介質板上呈螺旋狀的銅帶構成。
7. 根據權利要求l所述的一種用于基站電調智能天線的小型化移相器，其特征在于與傳統(tǒng)的電調移相器相比，在相移范圍相同的情況下能顯著縮小其尺寸，或者說在同樣尺寸的情況下可以實現更大范圍的相位移。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種應用于3G無線通信系統(tǒng)基站電調智能天線的基于螺旋慢波線的小型化移相器。該移相器基本結構包括金屬盒部分、傳輸線部分和位置可變的介質片部分。金屬盒部分主要起到屏蔽和反射作用。傳輸線部分由蝕刻在雙面覆銅介質板上的螺旋銅帶構成，固定于金屬盒上下蓋板之間。介質片部分插入于金屬盒上下蓋板與傳輸線部分之間，可由機械傳動機構帶動，改變其與傳輸線部分的相對位置。此相對位置決定了移相器輸出信號的相位?；诒景l(fā)明的基本結構，合理改變介質塊形狀，或是添加功分網絡，即可構成本發(fā)明的其它具體實施方案。
文檔編號H01P1/18GK101645524SQ20091005996
公開日2010年2月10日 申請日期2009年7月13日 優(yōu)先權日2009年7月13日
發(fā)明者楊仕文, 巍 郭, 陳益凱 申請人:電子科技大學