一种基于螺旋慢波线的小型化电调智能天线移相器 【技术领域】
本发明属于天线工程技术领域，涉及到一种移相器，具体来说是一种用于基站电调天线的小型化移相器，其在无线通信系统中的功能是可以使基站天线的波束产生倾斜。
背景技术
在无线通信迅速发展的今天，作为信号发送和接收的主要载体，基站天线对无线通信系统的网络构建起着举足轻重的作用。在实际运用中，天线在安装到发射塔上后，往往需要实时的对天线波瓣图的下倾角进行调节以适应不同区域、不同时间、不同用户数量、不同信道环境的需要。
在常规的通信基站中，调节天线波束的下倾角需要设备管理人员攀爬到安装天线的发射塔上，手工调谐安装在天线上的机械调整装置。当然这种方法不安全且不能满足对下倾角进行实时调整的需要。正是安装工程及网络优化的强烈需求，基站电调智能天线成了无线通信系统网络构架中至关重要的一环。
电调智能天线可在控制室内操作电控机械装置控制移相器，很方便的改变各个阵元的馈电相位，从而改变整个天线阵的波束指向。这种方法节约了人力，同时可以做到基本无延时的调整波束下倾，完全能够满足不断改变通讯条件的实时通信的需要。因此，移相器在移动通信基站中的作用显而易见，而对移相范围大、传输损耗小、体积小、加工成本低的移相器的设计研究，也成为发展移动通信技术非常重要的一部分。
中外学者在对移相器的研究方面做了许多工作，也研制了许多性能结构优良的移相器。典型的如中国专利03154962.4一种名为“混合移相器和功率分配器”的电调移相器，其包括传输线和一个位于电介质区域内位置可变的电介质片。电介质片与传输线的位置决定了传输信号相位的改变。此移相器因其加工成本低、插入损耗小，在现有通信基站中已经广泛投入使用。但是此移相器在体积方面还有很大可优化的空间。在基站天线阵列中移相器的使用量非常大，它体积的减小可以为基站天线阵的小型化奠定重要的基础。
又如中国专利申请号00802132.5中描述的“高频移相器组件”。其特征在于至少有一个与第一带状导体段同心设置的带状导体段，备有连接导线，由此至少间接地从馈电导线到各个配属带状导体段的分接部分产生电连接，在至少两个带状导体段上，在相互错置的分接点上至少两对不同的天线辐射器以不同的相位角可控。这种结构非常节省空间，有较高的集成密度。但在这设计当中，要单凭大小弧之间的一级阶梯变化实现多个输出端口和输入端口之间的阻抗匹配较为困难，这对于电调天线的传输特性和驻波比都有比较大的影响。
【发明内容】
本发明鉴于上述技术背景实现，目的在于对现有技术存在的问题加以研究和解决，提出了一种新的电调移相装置。该装置通过对传输线形式的发明和创新，采用螺旋慢波线形式设计出了一种移相范围大、插入损耗小、成本低廉、便于加工生产，最重要的一点就是体积较之传统移相器大幅度缩小的新型移相器。
该移相器适用与3G无线通信网络的基站电调智能天线，它的基本结构包括金属盒部分、传输线部分和位置可变的介质片部分。金属盒部分主要起到屏蔽和反射作用。传输线部分由蚀刻在双面覆铜介质板上的螺旋铜带构成，固定于金属盒上下盖板之间。位置可变的介质片部分插入于金属盒上下盖板与传输线部分之间，可由机械传动机构带动，改变其与传输线部分的相对位置，此相对位置决定了移相器输出信号的相位。
本发明最大的新颖性在于传输线部分用蚀刻在双面覆铜介质板上的螺旋铜带构成，这样就构成了一个典型的慢波系统，在一定的空间内，传输线的等效长度得到大幅度的增加。由相位移的经典公式
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可知，相移量
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随着传输线长度l的增加而增大。本设计就是利用这一特点，使用螺旋结构增大传输线的等效长度，从而与传统使用三板带状线的移相器相比，能够在一定体积内增大移相器的相移范围，或者说在达到同样相移范围的条件下可以大幅度的缩小移相器整体的体积。
本发明的特点还不仅仅是小型化。移相器在工作时，介质板在传输线与金属盒的上下盖板之间移动，改变传输线上信号的相位延迟，当然，在介质板与空气介质的交界处会存在不连续性，但可以通过调整介质板的形状和间距，弱化这种不连续性。因此，天线在不同下倾角工作时，一致性良好。并且，由于金属盒的存在，能量被约束在上下盖板之间，没有辐射损耗，而且还可以起到屏蔽外界干扰的作用。另外，金属盒中介质为空气填充，介电常数稳定，损耗小，这样整个移相器的损耗就可以控制到很小。还有，此移相器只需要介质板沿特定方向移动即可以达到大幅度移相的目的，结构极其简单，成本低廉，便于大规模加工生产和使用。
在本发明的一个实施方案中，双面覆铜介质板在上下两面铜带对应的相应位置打过孔以代替介质板侧壁覆铜，这主要是出于制作工艺和加工成本的考虑。而这样做对移相器的相移量、驻波系数等各项指标影响都非常小，是一种易加工生产的完全可行的实施方案。
在本发明的一个实施方案中，介质块被做成阶梯形或是其它不规则图形。这主要是为了达到在介质滑动过程中对移相角度线性化的目的。即力求介质块每滑动一毫米，移相器对信号都产生相同的相移。
在本发明的一个实施方案中，两个甚至多个此移相器上下叠加，相邻两者之间共用一块金属接地板，实现多移相器并行移相。
在本发明的一个实施方案中，多个移相器被应用于带有功率分配功能的移相网络中，此功分移相网络可对一副天线阵列的各个阵元进行功率分配和可调移相。
附图说明：
图1为本发明——基于螺旋慢波线的小型化电调智能天线移相器的顶视图；
图2为本发明——基于螺旋慢波线的小型化电调智能天线移相器的侧视图；
图3为本发明移相范围的仿真结果图；
图4为本发明用通孔代替侧壁覆铜的介质板的顶视图；
图5为本发明两移相器共用地板并行移相的侧视图；
图6为本发明实现相位线性变化的结构示意图；
图7为本发明应用于功率分配网络的示意图；
图8为本发明应用于六元均匀直线阵的示意图。
具体实施方案：
图1和图2示例性的描述了以一种基本实施方案实现的用于基站电调智能天线的移相器装置。依图示描述，此装置主要包括金属盒部分、传输线部分以及可滑动介质片部分。
金属盒部分1由铝板制成，当然也可以由其它金属材料制成。该金属盒主要起到反射内部电磁波以及屏蔽外界干扰的作用。
传输线部分2依靠介质支架或是其它刚性结构(图中未示出)固定于金属盒1中，与金属盒上反射板11、下反射板12平行。特别的，在本发明中，此传输线被设计成一种螺旋结构。具体来讲是在一个介电常数较小的双面覆铜介质板24上蚀刻出呈一定规律交替出现的铜带，在介质板侧壁的相应位置覆铜231‑236，这样就在介质板上构成了螺旋状的铜带23。此传输线包括一个输入端口21和一个输出端口22，输入与输出端口位于被蚀刻介质板的两面，结构相同，且对称存在，因此在需要时可以互换使用。
在传输线部分2与上反射板11之间是第一电介质区域331，传输线部分2与下反射板12之间是第二电介质区域332。这两个电介质区域均由空气填充。
可滑动介质片部分分为两组，第一组由位于第一电介质区域331的介质片311、312、313、314构成，第二组由位于第二电介质区域的介质片321、322、323、324构成。图中示出这两组介质片大小及间距都完全一样。当然这是种特例。通常，介质片不仅仅局限于两组每组四片，也不局限于两组完全一致。工程设计人员可根据需要改变任何一个介质片的形状和位置。
在此例中，两组介质片均固定于刚性结构315上，刚性结构315可与机械步进马达或其他机械传动机制连接(图中未画出)，沿d的方向滑动，使介质片对传输线部分进行不同程度的覆盖，从而影响传输结构的相对介电常数，以达到改变输出信号相位的目的。当然，输出信号相位的改变量是介质片滑动距离d的函数。
接下来描述的是此实施方案的具体操作。
一个微波信号从移相器的输入端口21输入，沿着传输线2传输。当信号传到第一和第二电介质区域的时候，就会从空气介质区域进入交叠电介质片的区域。沿d向滑动位于传输线2和反射板11之间第一电介质区域331内的介质块311、312、313、314和位于传输线2与下反射板12之间的第二电介质区域332中的介质块321、322、323、324，对传输线进行电介质加载。这种电介质加载改变了传输线的相对介电常数，使得波长产生变化，因此，输出端口的微波信号相位也会产生相应的变化。
由以上表述可见，输出端口信号相位的改变与电介质加载的多少有直接关系，也就是说与介质片到传输线的距离d有关。即对应介质片在电介质区域连续变化的不同位置，信号在输出端口的相位就会呈现出以递增或递减规律的变化。具体来说，d取最大值的时候，介质片对传输线的介质加载作用是最小的，也就是说此时传输线等效介电常数最小，传输信号波长最长，输出端口信号相位最大。随着介质片连续向传输线方向滑动，介质的加载作用越来越明显，传输的信号波长慢慢变小，输出端口信号的相位就会以递减的方式变化。直到介质片对传输线实现最大程度覆盖的时候，传输线等效介电常数最大，传输信号波长最小，输出端口信号的相位也最小。最小相位与最大相位的差即此类移相器的相移范围。显而易见，这种相位的变化是介质片滑动位置的函数。我们可以通过调节固定有介质片的机械传动装置及时的方便的调节介质片的位置，从而调整移相器的相移量。
当然，介质块的数量、形状和间距不局限于图中所示，只要能满足逐步对传输线进行介质加载的目的，均属于本发明涉及范围。
图3为本发明移相范围的仿真结果图。图中各条线代表的是d的不同取值时输出端口的相位。其中d指的是介质片外沿距传输线部分的介质板外沿的长度(如图1所示)。图中d＝是介质片距传输线最远的位置，也就是介质加载作用最弱的位置；d＝是介质加载作用最强的位置；另外在23mm和3mm之间每隔2mm依次取了18个点，用来描述输出信号相位的逐渐变化。如图所示，本发明的基本实施方案可以在整个频带内实现120°的相位移动，而如图1、图2所示的移相器的最大长度还不足70mm。较之目前已经投入使用的滑动介质型的移相器来说，在实现同样移相量的前提下，整体长度约为原来的三分之一。并且此移相器使用的介质板或是介质片都是介电常数在2.0‑3.0左右很容易获得的介质材料，加工精度要求也不太高，这都为其低成本和大规模的加工生产提供了条件。
图4描述的是本发明用打过孔的方式代替侧壁覆铜方式的介质板。如基本实施方案中所提到的在介质板上蚀刻出螺旋状的铜带，需要在介质板侧壁覆铜。但是这种侧壁覆铜技术难度很大。因此，出于降低加工的技术难度，节约成本的方面考虑，此例中在相应的位置打过孔以代替侧壁覆铜。实验证明，这种做法对移相器的驻波系数、移相范围和插入损耗等各项技术指标影响均很小，是一种经济实用且简便的实施方案。
图5描述了本发明的一种实施方案。在此方案中，两个移相器上下层叠，共用中间的地板，并行移相。当然此方案并不局限于两个移相器，三个或多个移相器层叠放置，每两个之间共用一层地板的结构也属于此方案囊括范围。
图6描述了本发明的另一种实施方案。在此方案中，位于第一电介质区域的介质片311、312、313、314和位于第二电介质区域的介质片321、322、323、324被做成阶梯状或其他不规则形状。这样做的目的是要在介质片滑动的过程中产生线性的相位变化。也就是说，介质块沿d向滑动的范围是20毫米，在此过程中总的相位变化是120度，那么我们所做的就是使介质块每滑动1毫米，相位变化6度。当然，介质块的数量、形状和间距不局限于图中所示，只要能满足使相位呈线性变化的目的，均属于本方案的涉及范围。
图7描述了本发明的又一种实施方案。如图所示，在此方案中，三个此类移相器应用于带有功率分配功能的馈电网络中。图示馈电网络包括移相器01、02、03，功率分配结构41、42、43，每一个移相器和对应的一个功率分配结构构成一级，所以图示为三级功分移相馈电网络。另外，每一级结构还都包括一个输入端口和两个输出端口(最后一级只有一个输出端口)，每一级的输入端口都是上一级的其中一个输出端口。具体来说第一级结构包含移相器01，功分结构41、输入端口21和输出端口22、25；。第二级结构包含移相器02，功分结构42、输入端口22和输出端口23、26；第三级结构包含移相器03，功分结构43、输入端口23和输出端口24。因此整个三级功分移相馈电网络共有一个输入端口21和三个输出端口24、25、26。当然，此实施方案涉及的功分移相馈电网络并不局限于三级，也不局限于图中所示的串联馈电。任何以并联或串联方式使用此移相器构成的功分移相馈电网路均应属于此实施方案的涉及范围。
图8描述了本发明的一个应用实例，即把本发明应用到一个六元等间距直线阵中。如图中所示，此天线阵的馈电网络为上述实施方案中描述的功率分配与移相网络，天线001、002、003、004、005、006分别通过同轴电缆依次连接到功分移相馈电网络的各个输出端口。这样，通过调节连接各个移相器的机械传动机构，就可以方便快捷的改变各个天线的馈电相位，从而实时调整此天线阵的波束下倾角。
以上是向熟悉本发明领域的工程技术人员提供的对本发明及其实施方案的描述，这些描述应被视为是说明性的，而非限定性的。工程技术人员可据此发明权利要求书中的思想做具体的操作实施，自然也可以据以上所述对各种实施方案做一系列的变更。而且，本发明的设计思想并不局限于使用在3G网络基站电调智能天线上，这种思想自然可以移植到其它不同的频段的移相器。上述这些都应被视为本发明的涉及范围。