天线系统 本发明涉及天线系统，并且具体但不仅仅只涉及具有按至少两个子阵列布置的多个天线振子的一种相控阵列天线系统。这种天线系统适用于许多电信系统中，但是特别适合在通常称为移动电话网络的蜂窝移动无线电网络中使用。更具体地说，本发明的天线系统可以配合第三代(3G)移动电话网络和通用移动电话系统(UMTS)使用。本发明还涉及在天线系统中使用的相位补偿设备。
蜂窝移动无线电网络的运营商通常采用其自己的基站，每个基站包括一或多个天线。在蜂窝移动无线电网络中，天线限定了通常被划分成许多重叠网孔的希望的覆盖区域，各个网孔和各自的天线与基站相关。每个网孔包含固定位置的基站，其维持与网孔内所有移动无线电设备的无线电通信。基站自身利用其它通信手段互连，通常利用在网格或网状结构布置的固定陆地线路互连，允许移动无线电设备在整个网孔覆盖区内彼此通信，以及与蜂窝移动无线电网络之外地公共电话网进行通信。
在这种网络中使用的天线往往是被称为相控阵列天线的组合装置，其包括多个(通常是八个或以上)独立天线振子或偶极子的阵列。通过调节馈送到天线振子的信号之间的相位关系能够改变天线的最大灵敏度方向即主射束或天线图形的“瞄准线(boresight)”方向。这具有允许控制射束以修改天线的覆盖范围的效果。
特别地，蜂窝移动无线电网络中的相控阵列天线的运营商需要调节垂直辐射图(VRP)，以改变主射束的垂直角度，也被称为“倾斜(tilt)”，因为这对天线的覆盖范围有明显的影响。由于网络结构的改变或在网孔中增加或撤除其它基站，就可能需要调节覆盖范围。
天线倾斜角度的调节是公知的，并且通常由机械装置、电气装置或二者结合来实现。若是用机械调节天线倾斜角度，例如通过机械移动天线振子本身或是机械移动元件的外壳(或“天线屏蔽器(radome)”)，就称为调节“机械倾斜”角度。若是电气调节天线倾斜角度，例如通过改变馈送到阵列中各个振子(或振子组)的信号的时间延迟或相位，而不用实际移动元件的外壳、天线振子本身或天线屏蔽器的任何其它部分，通常就称为调节“电气倾斜”的角度。
调节机械倾斜角度或电气倾斜角度的效果是重新配置瞄准线方向，以使其指向利用常规机械或电气倾斜机构建立的瞄准线方向的上方或下方，并由此增大或缩小天线的覆盖范围。
迄今为止，蜂窝无线电天线的机械或电气倾斜的调节只能是人工调节天线本身的倾斜角度，例如通过在机械倾斜调节的情况下实际移动天线外壳或屏蔽器，或在电气倾斜调节的情况下调节机械装置，以便对天线中的振子施加可变量的延迟。
采用这种机械或电气调节方法的一个缺点是该方法有困难，并且执行上要耗费时间。另外，这种调节方法导致瞄准线方向对所有发射或接收信号都是固定在调节的倾斜角度上，直至再次调节倾斜角度为止。因此，这种天线不能由一个以上运营商共享，除非各个运营商要求的倾斜是相同的。实际中很少有这种情况，并且运营商通常都需要特殊的倾斜角以便为其特定的基站部署优化天线的覆盖范围。
无论如何，尽管需要基站、天线和设施的共享，但是实施上仍然存在问题。在英国，各个发射/接收频带被分配给五个3G运营商用于在移动无线电设备和基站之间进行传输。五个发射频带或运营商频带是相连的，五个接收频带也是如此，即，在相邻频带之间没有间隙。
因此，除非与天线相联系的发射和接收设备对信号采用复杂和精确的滤波，否则信号重叠和干扰的后果对系统性能有不利影响。
有一种公知的基站结构是提供独立的发射和接收天线，而另有一种通用系统采用双工器以允许将单个天线兼用作发射和接收。如果只要求一个运营商使用基站和天线，这样布置是合适的，但若是有一个以上运营商使用该系统，就会出现困难。
基站共享的一种公知方案是各个运营商使用不同的天线。实践中采用一个共享的天线塔支持许多天线，每个运营商一个天线。然而，为了避免相互干扰，天线需要适当分离，并且需要升高天线塔的高度，或是需要采用更坚固的结构以使天线塔能抵抗强风。这样会增加天线塔的重量，随之会增大天线塔的成本。另外，难以获得能容纳较大天线塔的站址，并且可能会面临计划编制许可或分区制问题。大天线塔还影响环境并且有碍观瞻。
因此，移动蜂窝无线电网络的许多运营商是采用自有的基站及其相应的天线塔和天线。站点之间很少共享，并且任何共享都仅限于共享天线塔而不能共享天线。引入所谓的第三代(3G)移动无线电系统会要求增加基站站点的数量。因此有可能难以获得所需的房地产，并且站点共享将变成一种更具吸引力的选择。
本发明的目标是提供一种方法和/或设备，允许一个基站站点的若干运营商共享一个公共天线，同时使得各个运营商能够电气地和单独地对天线的电气倾斜角度进行电气调节。本发明的另一目的是允许远程调节天线的电气倾斜角度，并且对发射和接收该角度有所不同。
在下文中采用术语“天线系统”替代前面的术语“天线”来描述一种系统，它具有“天线组件(antenna assembly)”(即，天线振子阵列)以及用于控制提供给天线组件中的天线振子的信号的控制装置。
按照本发明的第一方面，提供了一种用于发射和/或接收至少两个信号的天线系统，从而所述信号之中的第一信号由第一运营商在第一运营商频带中产生，而所述信号之中的第二信号由第二运营商在第二运营商频带中产生，该系统包括：
天线组件，具有可调节的电气倾斜角度，并包括用于发射和/或接收所述信号的多个天线振子，其中这些天线振子被安装在天线托架上，并且被布置在至少两个子阵列中，每个子阵列包括一或多个所述振子；
控制装置，用于电气控制由所述天线组件发射和/或接收的信号的相位，从而控制所述天线组件的电气倾斜角度；以及
组合器装置，用于使得所述天线组件能够基本上同时以第一电气倾斜角度发射和/或接收所述信号之中的第一信号和以第二电气倾斜角度发射和/或接收所述信号之中的第二信号。
由天线组件发射和/或接收的第一和第二信号供不同的网络运营商使用，并因而具有不同的频率。因此，有益地，这样的天线系统允许多个运营商使用该天线组件。
另外，若是能够在远离天线组件的位置处调节电气倾斜角度，每个运营商就能调节由天线组件提供的它自己的网孔覆盖范围，而无需访问基站站点。为了随着网络部署来优化覆盖范围，可能需要调节电气倾斜角度，以便优化网络对测量性能参数的响应、对城市日常活动的日常响应或周期性满足诸如展览会或体育赛事等特殊事件的需求。
在一个实施例中，天线系统用于按照发射模式操作，其中由天线组件发射至少两个信号，组合器装置被布置成从所述控制装置接收相位调节信号，并且基本上同时按第一电气倾斜角度发射所述信号之中的第一信号和按第二电气倾斜角度发射所述信号之中的第二信号。然而，该设备优选按接收模式操作，其中天线组件接收信号。
在一个最佳实施例中，该设备包括第一和第二馈线，用于对天线组件提供第一极化的第一和第二信号以及从天线组件提供第一极化的第一和第二信号。
该设备进一步包括第三和第四馈线，用于对天线组件提供符号与第一极化相反的第二极化的第三和第四信号以及从天线组件提供符号与第一极化相反的第二极化的第三和第四信号。
在另一最佳实施例中，该设备包括对天线组件提供信号以及从天线组件提供信号的最多四条馈线。
该设备的优点在于若干运营商可以使用该系统，并在不同的运营商频带中发射和/或接收信号，必要时各自具有不同的电气倾斜角度，并且这是仅仅使用四条馈线实现的，或者如果仅需要一个极化，则仅仅使用两条馈线。该设备因而相对简单，并且成本低廉，还能够服务于许多不同的运营商。
进而，因为许多运营商可以共享一个天线组件，避免了对额外基站或天线组件的需求。
为了便于说明，用语“运营商”或“用户”的意思是指蜂窝无线电网络的运营商，有别于负责天线站点的站点运营商。
例如，所述控制装置可以包括与第一个所述信号相关的第一控制装置和与第二个所述信号相关的第二控制装置，并且组合器装置可以用于从第一控制装置接收第一个所述信号并从第二控制装置接收第二个所述信号，并且向所述天线组件提供组合信号。
优选地，控制装置可用于从远离所述天线组件的位置电气控制提供给至少一个所述子阵列的信号的相位，从而控制所述天线组件的电气倾斜角度。
控制装置可以包括许多微分相位控制单元，每个微分相位控制单元和所述天线系统的各自一个所述运营商相关联。
各个微分相位控制单元可以包括第一和第二微分相位控制子单元，所述第一微分相位控制子单元被用于电气控制提供给它以便利用所述天线组件发射的信号的相位，而所述第二微分相位控制子单元被用于电气控制提供给它的信号的相位，所述信号利用所述天线组件来接收。
优选地，组合器装置包括第一和第二组合器单元，其中各个组合器单元包括各自的发射组合器网络和各自的接收分离器网络，所述发射组合器网络有许多输入用于连接到所述天线系统中相应多个运营商的发射装置，所述发射组合器网络被用于多路复用由所述发射机装置提供给所述输入的信号，从而输出单一的多路复用信号。
发射组合器网络优选包括用于接收各自来自相关发射机的至少两个信号的第一发射多路复用器，以及用于接收各自来自相关发射机的至少两个信号的第二发射多路复用器，其中各个第一和第二发射多路复用器具有带通滤波器装置，用于利用一个通带对从第一个相关发射机接收的信号滤波，其中利用一个阻带将相关的各个发射机的通带彼此隔开。
优选地，各个带通滤波器装置被用于产生(本文所定义的)完美组合的输出信号。
来自带通滤波器装置的组合输出信号优选被输入到一个组合器单元，用于产生具有基本上完美组合的连续频谱的组合信号。
优选地，所述接收分离器网络有多个输出用于连接到所述天线系统中相应多个运营商的接收机装置，所述接收分离器网络被用于分离由所述天线组件接收到的接收信号，从而将所述接收信号提供给各个所述接收机装置。
在另一个最佳实施例中，组合器装置被用于同时为多个运营商之中的每一个产生相位调节输出信号，该天线系统进一步包括分离器装置，用于接收所述相位调节输出信号，并且用于分离和分配所述相位调节输出信号给天线组件的振子。
分离器装置优选用于按基本上均匀的分布来分配所述相位调节输出信号的信号强度。
在又一个最佳实施例中，该设备可以包括相位补偿装置，用于确保施加给馈线上信号的相位差在所述控制装置和所述天线组件之间基本上保持不变。
在系统最初接通时，在需要改变电气倾斜角度时和/或例如按每10分钟周期性补偿馈线中的热波动时，可以执行测量和相位调节处理。
在一个实施例中，相位补偿装置包括布置在第一和第二馈线相对端上的第一和第二混频器组件。
可选择地，相位补偿装置包括相位测量接收机模块。
在又一个实施例中，该设备可以包括相位补偿装置，用于对多个运营商频带独立测定从沿着发射路径提供给天线振子的信号之间的相位差中的差别中导出的发射路径相位差测量结果，并且包括用于将所述发射路径相位差测量结果反馈给控制装置的反馈装置。控制装置优选包括用于根据各自发射路径相位差测量结果为各个所述运营商频带独立调节提供给第一和第二馈线的信号相位的装置，从而允许对不同运营商频带的所述相位差中的差别进行补偿。
对于仅仅为发射单一信号极化而设计的天线，典型地发射路径包括用于从组合器装置向天线组件提供发射信号的第一和第二馈线，以及作为天线组件的一部分在第一和第二馈线与天线振子之间提供连接手段的第一和第二各自的载波线(carrier line)。
该设备在天线组件中进一步包括矢量测量接收机模块，并且可以包括用于提取提供给天线振子的所述信号一部分的装置以及用于将所述提取部分与振荡器信号组合的装置，其中振荡器信号的频率取决于选定的运营商频带，从而对各个运营商频带确定发射路径相位差测量结果。
优选地，矢量测量接收机模块包括用于获得同相和正交相位差测量结果的第一和第二相位比较单元，从而确定相位差的明确测量结果。
在进一步的最佳实施例中，该设备可以包括相位补偿装置，用于对多个运营商频带测定从天线振子上接收的并沿着接收路径发送给控制装置的信号之间的相位差中的差别中导出的接收路径相位差测量结果；以及用于将所述接收路径相位差测量结果反馈给控制装置的反馈装置，其中所述控制装置包括用于根据各个接收路径相位差测量结果为各个所述运营商频带调节提供给第一和第二馈线的信号相位的装置，从而允许对不同运营商频带的所述相位差中的差别进行补偿。
本实施例特别有利于独立补偿通过发射路径传送的信号与通过接收路径传送的信号之间在相位差上的差别，并且还能对各个运营商频带进行独立的补偿。
天线组件优选包括用于产生接收路径校准信号的振荡器装置，通过接收路径提供校准信号来确定接收路径相位差测量值还有发射路径相位差测量值。
优选地，接收路径包括发射路径的第一和第二馈线以及发射路径的第一和第二载波线，但是接收信号与发射信号是通过不同的放大器和滤波器部件传送的。
在一个最佳实施例中，振荡器装置是音频发生器，用于通过接收路径产生提供的单音信号。
对于选定的运营商频带，单音信号的频率优选处在相邻运营商频带之间的中间，其中一个相邻运营商频带是选定的运营商频带。
优选地，单音信号也可以落在选定的运营商频带之内。
振荡器装置最好是按200Hz左右的带宽发送接收路径校准信号。
按照本发明的第二方面，提供在供多个运营商使用的具有多个天线振子的天线组件中使用的相位补偿设备，各个运营商在不同的运营商频带内发射和/或接收信号，该设备包括：
控制装置，用于电气控制由所述天线组件发射和/或接收的信号相位，从而控制所述天线组件的电气倾斜角度；
用于对多个运营商频带测量从沿着具有第一和第二馈线的发射路径提供给天线振子的信号之间相位差的差别中导出的发射路径相位差测量结果的装置；
用于对多个运营商频带测量测量从沿着接收路径从天线振子提供给控制装置的信号之间相位差的差别中导出的接收路径相位差测量结果的装置；和
用于将所述发射和接收路径相位差测量结果反馈给控制装置的反馈装置，所述控制装置包括调节装置，用于根据有关运营商频带的发射和接收路径相位差测量结果来对各个运营商频带调节提供给天线振子的信号的相位。
按照本发明的第三方面，提供用于在供多个运营商使用的具有多个天线振子的天线组件中使用的相位补偿方法，各个运营商在不同的运营商频带内发射和/或接收信号，该方法包括：
电气控制由所述天线组件发射和/或接收的信号相位，从而控制所述天线组件的电气倾斜角度；
针对多个所述运营商频带测量从沿着具有第一和第二馈线的发射路径提供给天线振子的信号之间相位差的差别中导出的发射路径相位差测量结果；
针对多个所述运营商频带测量从沿着包括第一和第二馈线的接收路径从天线振子提供的信号之间相位差的差别中导出的接收路径相位差测量结果；
将所述发射和接收路径相位差测量结果反馈给控制装置；和
根据各个发射和接收路径相位差测量结果来针对各个所述运营商频带调节提供给天线振子的信号相位，以允许不同运营商频带的所述相位差当中的差别得到补偿。
将认识到，按照本发明第一方面的天线系统的相位补偿设备的优选和/或可选特征显然同等可应用于本发明第二方面的相位补偿设备，并且同样可以应用于本发明第三方面的方法。
按照本发明的再一方面，用于提供信号给天线组件的一种电气倾斜组合器设备包括多个天线振子，该电气倾斜组合器设备包括：
控制装置，用于对由所述天线组件发射的信号的相位进行电气调节，从而控制所述天线组件的电气倾斜角度；以及
组合器装置，用于接收所述相位调节信号，并且允许基本上同时按第一电气倾斜角度发射所述信号之中的第一信号和按第二电气倾斜角度发射所述信号之中的第二信号。
将认识到，按照本发明第一方面所述的可选特征和/或可替换特征显然也可以单独或是组合应用于本发明的其它方面。
为了便于说明，术语“相位延迟或相位偏移”是按照表示方便来使用的。可以通过改变射频载波的相位来获得时间延迟。假定相移与频带成正比，并且具有零截止失真(zero intercept distortion))，相移就能产生基本上无失真的时间延迟。相移和时间延迟因而是同义词。
显而易见，对于本发明的各个方面，实践中可能希望按不同角度发射两个以上的所述信号。
以下要参照附图用举例的方式描述本发明，在附图中：
图1表示一种公知的相控阵列天线组件的垂直辐射图(VRP)；
图2是一种公知天线组件的示意性框图，它包括用于调节电气倾斜角度的机械装置；
图3表示一种公知的第三代(3G)频分双工基站频率分配；
图4表示一种公知的基站天线塔共享布局；
图5表示按照本发明第一方面建议的一种天线系统，涉及多达五个运营商共享单个双极化天线组件；
图6表示一种双极化三扇区天线系统，包括三个图5的天线系统；
图7a是在图5和6的天线系统中使用的一种建议的发射组合器网络的方框图；
图7b表示在图7a的发射组合器网络中使用的滤波器的频率响应；
图8是按照本发明最佳形式的一种天线系统的方框图(用于一个运营商)；
图9是与图8的天线系统一起使用的一种自动相位控制设备的方框图；
图10是图9的设备中使用的混频器输出信号的电压-时间图；
图11是表示将图9的设备纳入图8系统中的方框图，并且该系统由多达五个运营商使用；
图12是包括相位测量接收机模块的图8的天线系统的方框图；
图13更具体表示相位测量接收机模块的局部；
图14是表示将图12的相位测量接收机模块纳入图8的系统中的框图，并且有多达五个运营商使用该系统；
图15是表示用于实施另外一种相位补偿方法的天线的组成部件的方框图；以及
图16是表示用于实施图15中另外一种相位补偿方法的天线组合器单元的组成部件的方框图。
在以下的说明中，按照适用于蜂窝移动无线电网络并且特别适用于通用移动电话系统(UTMS)中的一种天线系统来描述本发明。然而，应该意识到本发明不仅限于这种用途，并且还可以等效地应用于其它通信系统。
图1表示一种常规相控阵列天线组件的垂直辐射图(VRP)。此附图是按侧视图表示的，并且由点1代表天线组件。
天线组件1的VRP包括主瓣或“瞄准线”2，随着其从天线组件向外延伸在一个垂直平面中分叉，并且表示了天线组件所发出射束的最大辐射强度的区域。天线组件的VRP还包括许多侧瓣4，代表辐射强度大大降低的区域，这些区域在一个垂直平面内围绕天线组件大致按照等间距的方向从天线组件向外延伸。紧邻瞄准线2的波瓣3分别被称为第一上侧瓣和第一下侧瓣。
若是通过实际移动天线振子和/或其外壳来机械调节天线组件的倾斜角度，就称其为“机械倾斜”角度，习惯上是通过重新配置瞄准线以使其指向水平面上、下来实现的。若是电气调节，天线组件的倾斜就被称为“电气倾斜”，并且通过改变提供给天线中一组振子的信号的时间延迟来上、下移动瞄准线，而不是用机械移动元件本身。
为了有助于读者理解，在以下说明中应该注意到“电气倾斜”和“机械倾斜”都可以由电气装置或机械装置来控制和/或调节，或是同时使用两种装置，例如是可以用零件的机械移动来实施电气相位调节(天线振子本身实际上不移动)，从而调节瞄准线的位置。
在图2的示意性框图中统一用10代表包括一个电气倾斜调节装置的常规天线系统的天线组件。天线组件是一个由十二个振子或偶极子E1到E12的阵列组成的相控阵列天线，这些振子按标签A，B和C被布置在三个子阵列中。每个子阵列A，B，C包括四个相互并联连接的振子，分别被耦合到第一，第二和第三延迟装置12，14，16的输出。延迟装置12，14，16包括常规的机械相位调节机构，用于调节提供给子阵列的信号相位。由天线发射的一个射频(RF)信号从一个公共RF端口或馈线18提供给各个延迟装置12，14，16。
延迟装置12，14，16的功能是按预定量调节提供给各个子阵列A，B，C的RF信号的相位。连接到中央子阵列B的第二延迟装置14是一个固定延迟装置，用于按固定量偏移提供给子阵列B的信号相位。另一方面，分别连接到子阵列A和C的第一和第三延迟装置12，16是可变延迟装置，各自用于按一个变量偏移分别提供给子阵列A和C的RF信号的相位。
第一和第三延迟装置12，16可以对提供给子阵列A和C的RF信号提供0到±45°之间的相位移，并且可以分别利用机械调节装置来调节。机械调节装置20包括用22表示的装置，用于相对于第一延迟装置12施加的信号颠倒第三延迟装置16施加的信号的相移方向。这样，由第一和第三延迟装置12，16施加给RF信号的相移就是振幅相等但极性相反的。换句话说，如果第一延迟装置12将提供给子阵列A的信号相位偏移+45°，第三延迟装置16就将提供给子阵列C的信号相位偏移-45°。由于第二延迟装置14是一个固定延迟装置，实际上施加在提供给子阵列B的信号上的相位移是第一和第三延迟装置12，16所施加相位移的中间值。
这种天线组件的电气倾斜角度对于每个子阵列±45 °相位移通常是按±5°来改变。每一度电气倾斜能得到大约18°相位移的倾斜灵敏度。在本例中，由于提供给子阵列A和C的RF信号相差90°，天线组件的电气倾斜大约是5°。天线组件的电气倾斜方向取决于施加在提供给子阵列的信号上的相位移的极性。如果上子阵列(也就是子阵列A)的信号具有正相位，而下子阵列(也就是子阵列C)的信号具有负相位移，电气倾斜角度就是正值，即在正常瞄准线之上。对于反极性的相位移，电气倾斜角度是负值。
图2的天线组件存在的缺点是，为了改变天线组件的电气倾斜角度，需要人工调节机械调节装置20来调节由第一和第三延迟装置12，16施加的相位移。另外，提供给各个天线振子的信号相位不能单独调节。
图3表示由英国(UK)无线电通信机构分配给UK 3G网络运营商的第三代频分双工(3G FDD)频带。五个UK运营商各自获准使用所分配发射频谱中的第一专用部分或子频带，例如是从基站到网络内的移动无线电设备，而另一部分用于接收，例如是从移动无线电设备到基站。这些子频带用许可A，B，C，D和E表示。对于基站发射，总频谱从2110.3MHz延伸到2169.7MHz，而对于基站接收是从1920.3MHz到1979.7MHz。尽管在这些频率范围的边界上还有被称为防护频带(未表示)的未分配频率，在各个子频带A，B，C，D和E之间是没有间隙的，也就是相连的。
由于网络运营商用相邻子频带共享一个公共天线所带来的问题，基站共享通常是按照图4所示的结构实现的。该结构60允许五个网络运营商共享一个基站站点，为每个扇区的各个运营商提供各自的发射/接收天线。各个扇区总共有五个天线(天线A，B，C，D和E)被安装在一个公共基站天线塔62上，各个天线按不同高度或是按相同高度和适当的间隔安装在天线塔62上。各个天线有各自的收发信机设备64A到64E。天线塔62的高度必须大于单个天线所需的高度才能容纳五个天线。因此必须提高天线塔的强度，例如是使得天线塔能抗强风，这样就会增大天线塔的重量和成本。另外，并不是所有站点都能容纳大天线塔，实践中往往难以从地方政府获得规划许可。大天线塔还有碍观瞻，并且在有些地点受环境限制。
图5表示一种建议的组合器单元，用于将支持五个网络运营商所需的天线数量从五个减少到一个。图中用70表示的组合器单元包括发射组合器网络72，接收分离器网络或多路分解器74，和一个双工器单元76。五个网络运营商将各自的发射机TxA到TxE连接到发射组合器网络72，并将接收机RxA到RxE连接到接收分离器网络74。网络72，74通过双工器单元76连接到共享天线组件78。
发射机TxA到TxE产生的RF信号在发射组合器网络72中被组合器并通过双工器单元76提供给天线组件78去发射。天线组件78从远程移动无线电设备(未表示)接收的信号从天线组件78通过双工器单元76馈送到接收分离器网络或多路分解器网络74。
在图6中将图5的结构扩展成包括三个独立天线组件78a，78b，78c，以构成所谓的“三扇区天线组件”，各个天线组件被用于提供覆盖120度弧度(或三分之一圆周)的水平网孔覆盖，使得天线组件78a，78b，78c共同提供覆盖整个360度的网孔覆盖。在本实施例中，各个天线组件78a，78b，78c是一个双极性天线组件。采用双极性天线组件在蜂窝无线电网络中是公知的和常用的。各个双极性天线组件由一叠交叉的偶极子振子组成，第一阵列的振子与垂直方向成+45°，而第二阵列的振子与垂直方向成-45°。各个极性的阵列与被提供给各个阵列的各个组合器单元70a，70b被有效地电气隔离。各个天线组件被连接到各自的第一和第二组合器单元70a，70b，采取图5中组合器单元70的形式。组合器单元70a，70b的极性相同，另外自运营商发射机和接收机的连接也是如此。
为了便于说明，仅仅考虑系统的正极性部件，即网络运营商的各个发射机TxA到TxE连接到三个正极性组合器单元70a，70b，70c中各个发射组合器网络72的各个输入。由发射机提供的信号从发射组合器网络72通过双工器单元76发送到各个天线组件78a，78b，78c去发射。
类似地，网络运营商的各个接收机RxA到RxE被连接到三个正极性组合器单元70a，70b，70c中各个接收分离器网络74的各个输入。由天线组件78a，78b，78c接收的信号通过相关的双工器单元76，以提供给接收分离器网络74，后者将接收的信号分离成五个相等部分并提供给接收机RxA到RxE。
系统的负极性部件按类似的方式连接。从中可以看出五个运营商能够同时使用该系统，仅仅需要一个天线组件，其中采用一个全向天线组件或是使用一个三扇区系统的三个天线组件。以往的系统每个扇区需要五个独立天线组件，三扇区系统需要十五个天线组件。
图5的组合器单元70存在许多缺点。首先，发射组合器网络72可能包括向系统中引入明显信号损失的部件。这些信号损失会缩小系统的发射范围。为了补偿信号损失可以增加放大器，但是对于按所需的可靠性统筹处理按足够的线性同时在所有五个频带上发射所需的功率，瞬时带宽和效率却无能为力。
有人提出在发射组合器网络72中引入带通滤波器来降低放大器所需的功率输出，其中的发射组合器网络72具有五个并联带通滤波器的组合，它们组合用作一个发射多路复用器。带通滤波器对来自各个发射机TxA到TxE的信号滤波，然后将信号多路复用到公共输出线并发送到双工器单元76和天线组件78。各个滤波器的通带被选择在尽量靠近各个运营商得到许可的频带。然而，由于大多数带通滤波器的频率响应跌落很浅(shallow roll-off)而导致子频带的重叠，这种布局会进一步增大系统中的信号损失，并且会减弱发射机TxA到TxE之间的隔离。
在图7a中用200表示图5和6中所示的在组合器单元中使用的一种改进的发射组合器网络。发射组合器网络200包括第一和第二发射多路复用器222ABE和222CD。第一发射多路复用器222ABE被用于接收多达三个发射机224A，224B，224E的发射信号，并在各个带通滤波器226A，226B，226E中进行滤波。第二发射多路复用器222CD被用于接收另外两个发射机224C和224D的发射信号，并在各个带通滤波器226C，226D中进行滤波。
来自带通滤波器226A，226B，226E的滤波输出信号在第一滤波器输出上合成(合成的输出信号228X)，而带通滤波器226C，226D的滤波输出信号在第二滤波器输出上合成(合成的输出信号228Y)。来自滤波器输出的信号228X，228Y在一个具有两个输入端口232X，232Y和一个输出端口232Z的二输入3dB无源组合器232中合成。然后，来自输出端口232Z的合成输出信号通过双工器单元76馈送到有关的天线组件78，如图5所示。
现在参见图7b，图中表示五个滤波器226A到226E各自的通带240A到240E。通带240A到240E具有相同的额定最大值(尽管为了清楚所表示的通带240C和240D比其它通带要低)，并且可以看出带宽是不相等的。按照频率刻度242所示，五个许可频带242A到242E包括紧邻频带242A和242B的频带242C，以及紧邻频带242B和242E的频带242D。这样形成两组不相邻的频率通带242A/242B/242E和242C/242D，它们如图7a中所示各自联系着不同的发射多路复用器222ABE和222CD。
由于各个发射多路复用器222ABE和222CD中的滤波器通带被没有明显通带重叠的阻带隔开，滤波器226A输出的信号228X只能通过滤波器226B和226E以极度衰减的形式到达发射机224B和224E，多数情况下可以忽略不计。一个独立的发射多路复用器222ABE或222CD内部的其它发射机对到滤波器226A至226E之间的耦合也是一样。由滤波器226A至226E提供的衰减能将发射机与产生信号228X或228Y的输出上的其它信号适当隔离，使得这些输出信号228X或228Y得到“完美组合”。“完美组合”的意思是说，由于各个滤波器的通带没有重叠，多路复用器222ABE和222CD在滤波器通带上面的电气阻抗基本上维持不变。这样就能使来自发射机224A到224E的信号通过多路复用器222ABE或222CD提供具有(“完美”)额定失真的输出信号228X或228Y，从而执行理想的组合功能。如果滤波器通带重叠，通带阻抗就不是常数，出现在多路复用器输出上的信号有失真(“有缺陷”)。为了组合两个信号228X和228Y同时又要避免发射机224A到224E之间的有害交扰(interaction)而使用了组合器232。组合器是一个二输入3dB宽带部件，在其两个输入端口232X和232Y之间提供至少20dB的良好信号隔离，与这些端口上信号的频率分离无关。它可以合成频率相邻的信号，但是不允许它们之间出现明显不利的发射机耦合。228X和228Y上的信号群是按线性方式合成的，没有不能接受的相互交扰，组合器232的输出是基本上完美合成的相连频谱。
尽管在组合器232的输入和输出端口232X到232Z之间有一定的固有信号损失，但是要明显小于完全依赖于无源频带部件的发射机组合器网络带来的损失。参照图7a描述的二级合成方案能够提供比常规结构更加有效的无源发射机组合器网络，并且不需要线性多载波功率放大器。
这样的结构允许相邻和不相邻发射频带中的运营商共享一个基站天线组件。由于发射机组合器网络200的损失比图5中所示的网络要小，不需要昂贵的多频率功率放大器。另外，该结构能避免图5的发射组合器网络72中固有的滤波器通带重叠。
可以在类似于图7a的发射组合器网络200中使用的发射信号的最小数量是二，两个信号通过各自的独立滤波器连接到3dB无源组合器232。如果在相邻频带内仅有两个发射机，就不需要在馈送到组合器232之前在多路复用器例如是222CD内对发射信号执行多路复用。如果有两个频率不相邻的信号，就可以用一个多路复用器222合成，并且不通过组合器232而直接馈送到双工器，这样能减少信号损失。对于有至少两个是频带相邻的三个发射信号，两个可以在多路复用器222中合成，第三个可以直接馈送到组合器232。然而，如果要合成三个不相邻的频带A，B和E，就仅仅需要一个多路复用器222ABE，并且其输出可以不通过组合器232而直接馈送到双工器。四个以上信号需要两组或两组以上不相邻信号，各组在与其它组合成之前要通过多路复用合成到一起。如果合成的数量少于五个发射机，多路复用器222上未用的输入可以端接到负载。或是省略多路复用器中未用频率的滤波器226，从而降低成本、尺寸和重量。
在未决的第0108456.5号专利申请中描述了发射组合器网络200的细节，其内容可供本文参考。
图6的天线组件允许多达五个网络运营商共享一个公共天线组件。然而，如上所述，对天线系统的要求不仅仅是允许若干网络运营商同时使用一个公共天线组件，还要提供供各个运营商独立电气调节天线组件的电气倾斜角度的能力，并且要求能够从远离天线组件本身的位置进行调节。
在图8中用框图700表示按照本发明的一种最佳形式的天线系统。在本实施例中，天线系统700包括一个天线组件702，它具有布置成三个子阵列700A(E1-E4)，700B(E5-E8)，和700C(E9-E12)的总共十二个天线振子E1-E12。可以用图中用虚线704表示并且要在下文中具体描述的一个Tilt Combiner Unit(TCU)形式的控制装置来调节组合702的电气倾斜角度。
需要由天线组件702发射的第一和第二输入信号Sa和Sb分别通过第一和第二输入载波线720，722提供给天线振子E1-E12。天线组件702包括由各自的一个第一和第二输入载波线720，722馈送的第一和第二初步分离器单元716A，716B。各个分离器单元716A，716B提供两个强度/功率基本相等的输出信号。来自第一分离器单元716A的第一输出信号被提供给相位移单元717A，对来自初步分离器单元716A的信号施加的附加相位移通常在-45到-60度之间。相位移输出信号被提供给另一分离器单元716C，它将所接收的输入信号分离成两个强度基本相等的信号。来自另一分离器单元716C的两个输出信号被提供给各自的附加分离器单元716D，716E，它们各自将所接收的信号分离成两个强度基本相等的输出信号。来自附加分离器单元716D，716E的输出信号被馈送到第一子阵列700A中各自的一个振子E1到E4。各个振子E1到E4分别具有连带的相位调节装置151E1，151E2，151E3，151E4，如下文所述提供一个附加和独立的装置，用于调节提供给各个振子的信号的相位移。在接收模式下，通过相同装置的反向路径将信号合成到第一和第二载波线上。
从以上说明中可以看出，分离器单元716A，716C，716D，716E的结构使得第一子阵列700A的振子E1到E4的各个输出信号接收到强度基本相等的信号。
来自分离器单元716A的第二输出被提供给另一分离器单元719A，它将接收的输入分离成提供给第一正交混合组合器单元726A的一个输入(A)的第一输出信号和提供给第二正交混合组合器单元726B的一个输入(A)的第二输出信号。
第二分离器单元716B向另一分离器单元719B提供第一输出信号，将接收的输入分离成两个强度基本上相等的信号，一个提供给第一正交组合器单元174A的第二输入(B)，另一个提供给第二正交组合器单元174B的第二输入(B)。
各个第一和第二正交组合器单元726A，726B向中心子阵列110B的两个振子提供第一和第二输出信号：第一正交组合器单元726A向振子E5和E6提供信号，而第二正交组合器单元726B向振子E7和E8提供信号。第一和第二正交组合器单元726A，726B保证提供给振子E5到E8的信号相位是输入载波线720，722上信号的平均相位。例如，随着馈送给振子E5的功率下降，馈送给振子E6的功率上升，使得馈送给振子E5，E6的总功率基本上维持不变。
来自第二分离器单元716B的第二输出信号通过施加+45度相位移(即与相位移单元717A相反极性)的第二相位移单元717B提供给分离器单元716F。分离器单元716B将接收的输入信号分离成强度基本上相同的两个输出信号，进而由再分离器单元716G，716H分离成另两个信号。来自分离器单元716G，716H的四个输出信号通过各个附加相位调节装置150E9到150E12提供给第三子阵列的不同振子E9到E12。
中心子阵列100B因而利用正交混合单元的结构进行馈送，使得中心子阵列的功率相对于发射和接收的信号大约是总阵列功率的50％。对于作为一个整体的阵列，发射产生的信号相位是由两条输入载波线720，722提供的平均相位，有-45度相位移。同样，由中心子阵列100B接收的信号是另外两个子阵列100A，100C所接收相位的中间值，偏移-45度。
天线组件上的输入端口712，714分别通过馈线756，758连接到TCU704上的一个输出端口752，754。TCU704包括类似于图5和6中所示单元70的第一和第二组合器单元730，740，各个组合器单元730，740的输出分别被连接到输出端口754，752。
TCU704还包括用750表示的差分相位控制单元(DPCU)形式的相位控制装置。DPCU750包括用虚线750a表示的发射差分相位控制子单元，用虚线750b表示的接收差分相位控制子单元。发射差分相位控制子单元750a包括输入分离器单元725a，其一个输入被连接到与第一网络运营商760的发射机(未表示)相联系的单一RF端口726a的输出。输入分离器单元725a有两个输出各自被连接到第一和第二调节延迟单元(以下称为“发射相位调节器”)760a，762a的输入。各个网络运营商要发射的信号被输入分离器单元725a分离成两个等功率信号，并采用相位移网络760a，760b对这两个信号施加差分相位移。
第一发射相位调节器760a的输出被连接到第一组合器单元730中发射组合器网络734的一个输入。第二发射相位调节器762a的输出被连接到第二组合器单元740中发射组合器网络744的一个输入。
接收差分相位控制子单元750b包括具有两个输入和一个输出的输出多路复用单元725b。输出多路复用单元725b的输出被连接到与第一网络运营商的接收机(未表示)相联系的单一RF端口726b的输入。
输出多路复用单元725b的两个输入各自被连接到第一和第二调节延迟单元(以下称为“接收相位调节器”)760b，762b的输出。第一接收相位调节器760b的输入被连接到第二组合器单元740中多路分解器746的输出。第二接收相位调节器762b的输入被连接到第一组合器单元中多路分解器736的输出。
在工作中，天线系统700要发射的信号在基站处从第一运营商760的RF端口726a馈送到输入分离器单元725a的输入。输入分离器单元725a将信号分离成等强度的两个输出信号，并将一个分离信号各自提供给发射差分相位控制子单元750a中的第一和第二发射相位调节器760a，762a。
由网络运营商操作第一和第二发射相位调节器760a，762a对提供给它的信号施加一可变的延迟，从而在±45°范围内调节信号的相位。差分地控制发射相位调节器760a，762a，如果第一发射相位调节器760a被用于对提供给它的RF信号施加正相位移，第二发射相位调节器762a就被用于对提供给它的RF信号施加负相位移，反之亦然。这种结构的优点是各个发射相位调节器的延迟变化量是另一装置所需要的一半，一个延迟装置具有固定的延迟值，而另一装置的延迟相对于固定值增大或减小。然而，各个发射调节器760a，762a被用于独立调节提供给它的信号的相位，在必要时，各个发射相位调节器所施加的相位移量可以不同。
来自第一发射相位调节器760a的相位调节信号被提供给第一组合器单元730中发射组合器网络734的一个输入。同样，来自第二发射相位调节器762a的相位调节信号被提供给第二组合器单元740中发射组合器网络744的一个输入。各个发射组合器网络734，744向其相应的双工器732，742的输入提供相位移信号，后者在发射模式下将信号分别提供给输出端口754，752。
相位调节信号从输出端口754，752通过馈线756，758分别被提供给天线组件702的输入端口712，714。实际的馈线752，754可以按需要的长度制作，使TCO704能够位于远离天线组件702的位置，必要时可以相距几公里。
来自输入端口712，7114的相位调节信号分别作为信号Sa和Sb从输入载波线720，722上提供给第一上、下子阵列分离器单元716a，718a。来自第一上、下子阵列分离器单元716a，718a的信号Sa和Sb通过一或多个第二到第七上、下子阵列分离器单元716b到716g被分离并分配给天线振子E1到E18，从那里作为电磁信号发射给网孔中的移动无线电设备。
本领域的技术人员根据分离器单元相互连接的方式和以上的描述就知道如何将信号Sa和Sb分离并分配给天线组件702的振子E1到E18。在基站1762对天线进行电气调节时，这种结构的分离器单元能在天线的正面提供良好的线性相位。这是通过仅仅两条馈线756，758实现的一种比较简单并且节约成本的倾斜系统。
图8表示发射和/或接收信号仅有单一极化(即正极化)时配置的装置，尽管实际中也可以发射/接收负极化信号。对于每一种极化为天线组件702提供了两条馈线756，758和两条独立载波线720，722。双极化天线所需的最大馈线数量是四条，使装置的结构比较简单。
信号Sa，Sb的相位差别确定了天线组件的电气倾斜角度，因此可以看出，通过设置用第一和第二发射相位调节器760a，762a对信号施加的延迟量就能调节天线组件702的电气倾斜角度。另外，TCU104可以设在远离天线组件本身的位置。在振子E1到E12各自的信号路径中设置附加相位调节装置150E1-150E12提供了一种手段，用于进一步调节提供给子阵列700A-700C中各个振子的信号相位。
附加相位调节装置150E-150E12可以采取机械相位调节装置的形式，例如是一种绝缘楔入型装置。这种相位调节装置是现有技术中公知的，它包括一个基板，天线振子匝的传输线T与其交叉，并在基板和传输线T之间设置一个绝缘材料的平板。俗称为“楔子(wedge)”的绝缘材料板大致成矩形，带有一个被切掉纵向边沿的三角形或V-形片段。楔子能相对于基板和传输线T在大致横断传输线T的方向上移动。由于这种形状，楔子的线性移动或多或少会改变传输线和基板之间的绝缘材料量，借助于楔子的线性位置量来改变传播速度，从而改变传输线T上信号的相位移。这种线性移动通常是利用侍服或其它运动变换器形式的一种线性激励器来实现的。
由楔子在传输线T下面的位置和“楔入角(wedge angle)”即切入楔子的V-形内角来设置施加给传输线T上信号的相移量。
瞄准线的增益随着倾斜角量值增大而减小，在最大倾斜时，瞄准线的增益会减小1.5dB。在倾斜角增大到最大值时，应该将侧瓣电平的增大限制在-15dB(以下)。这样，垂直辐射图(VRP)就会展宽，并且瞄准的绝对增益会减小。如果能将侧瓣的增益相对于瞄准线的增益放松到-1dB，就能获得±20°的倾斜角和更高的瞄准增益。
在接收模式下，天线振子接收的信号分别通过双工器732和742传送到多路分解器736和746。这些信号的一部分被传送到联系着各个网络运营商设备的微分移相器760b，762b。来自微分移相器的信号在多路复用单元725b中进行矢量求和。适当设置与特定网络运营商相联系的微分移相器能将天线瞄准器上接收的信号按照运营商所需的倾斜角在多路复用器725b中加到相位上。
在相位调节器760b或762b之一的位置上采用一个固定移相器，并在另一所述相位调节器的位置上采用一个可变移相器，相对于固定移相器提供一个相位移微分，也可以实现微分相移。还可以看出，为了克服与接收信号分离有关的损失，可以在信号路径中有关的分路器726a(726b)之前的某处插入一个放大器，例如是在双工器732(742)后面。或是另外用适当的预防措施避免其操作受到发射信号的干扰，放大器可以安装在天线组件内部输入载波线720，722的端部，这样的优点是接收信号在载波线720，722中受到衰减之前就被放大。
在基站1762中获得的与各个运营商相联系的可变电气倾斜对于各个运营商是独立的，而利用机械相位调节装置150E1-150E12获得的附加倾斜对所有运营商的共同的。无论如何，采用附加的机械相位调节装置150E1-150E12为运营商提供了对天线系统电气倾斜进行“微调”的手段。如上文所述，可以用机械手段(例如是移动绝缘材料)来获得附加倾斜。然而，也可以用电气手段获得附加倾斜，例如是采用按760a，760b，762a，762b所述类型的电气移相器。
在图8所示的实施例中，包括发射和接收微分相位控制子单元750a，750b的微分相位控制单元750被布置在运营商基站1762的外部。在(没有表示出)另一实施例中，微分相位控制单元750可以位于基站本身内部的发射和接收解调器之内。在这种情况下，基站1762有一个外部输入端口可用于控制微分相位控制单元750。如果微分相位控制单元750被布置在基站1762内部，基站内部就需要有两条发射机路径(对一个给定信号极性分别来自第一和第二发射相位调节器760a，760b)，各个路径有自身的功率放大器，可以使总载波功率加倍。
因为在TCU704上的输出端口752，754与天线组件上的输入端口712，714之间的馈线756，758可能需要达到百米长度，所以馈线长度可能发生的变化会影响到发射信号的相位。对传输线上信号的相位调节一般是通过按预定量改变传输线的实际长度来实现的。因馈线的热胀冷缩使馈线长度有任何改变都会影响到馈线上信号的相位。
倾斜天线组件的倾斜灵敏度按上文所述是每一度电气倾斜有17度的相位差。如果要求电气倾斜角度的分辨率和稳定性是设定电气倾斜角度的+/-0.2度，所需的微分相位移分辨率和稳定性(DPSRS)就是：
DPSRS＝+/-0.2×17度
＝+/-3.4度(相移)
由于2GHz下的波长是15cm，+/-3.4度的微分相位移所对应的可允许电气长度变化(AELV)是：
AELV＝(3.4/360)×15cm＝1.4mm
典型馈线缆的热膨胀是0.01mm/m/摄氏度。如果馈线缆的最大长度是100m，且温度从20上升到85摄氏度，线缆长度就会增加(85-20)×100×0.01mm(＝6.5cm)。
一对馈线之间的温度对应着1.4mm最大允许长度差的最大允许温差是：
最大温差＝(1.4/0.01)×100
＝1.4摄氏度
灵敏度对电气长度和馈线之间温差的这一高值要求能保证天线组件输入端口712，714处的信号Sa，Sb的相位差与TCU704输出端口754，752处的相位差相同。
图9是能自动补偿因馈线756，758热胀冷缩带来的馈线相位差的第一种显示的设备的方框图。自动相位补偿设备900包括用虚线902，904表示的第一和第二混频器组件。第一混频器组件902包括将馈线756，758上的信号松散耦合到混频器中的第一和第二定向耦合器或T-抽头910，912。各个耦合器910，912有一个输入和两个输出。第一耦合器910的输入被连接到第二组合器单元740(图9中没有表示)的输出。第一耦合器910的第一输出馈送到第一混频器916的第一输入和90度移相器918的输入。
第二耦合器912的输入被连接到第一组合器单元730(图9中没有表示)的输出。第二耦合器912的第一输出馈送到第二混频器922的第一输入和第一混频器916的第二输入。90度移相器918的输出被连接到第二混频器922的第二输入。第一耦合器910的第二输出被连接到第一可变相移装置(以下称为“第一移相器”)914的信号输入，其信号输出被连接到输出端口752。第二耦合器912的第一输出被连接到第二可变相移装置(以下称为“第二移相器”)920的信号输入，其信号输出被连接到输出端口754。第一和第二混频器916，922各自的输出被连接到各个第一和第二低通滤波器924，926的输入，各个低通滤波器的输出分别被连接到反馈控制器928的第一和第二输入。
第二混频器组合904与所述的第一混频器组合902基本上相同。这样的第二混频器组合902包括各自具有一个输入和两个输出的第三和第四桥式定向耦合器940，942。第三耦合器940的输入被连接到输入端口712。第三耦合器940的第一输出被连接到图8中所示第一上子阵列分离器单元716a的输入。第三耦合器940的第二输出馈送到第三混频器946的第一输入和第二90度移相器948的输入。
第四耦合器942的输入被连接到输入端口714。第四耦合器942的第一输出被连接到图8中所示第一下子阵列分离器单元718a的输入。第四耦合器942的第二输出馈送到第四混频器952的第一输入和第三混频器946的第二输入。第二90度移相器948的输出被连接到第四混频器952的第二输入。
第三和第四混频器946，952各自的输出分别被连接到第三和第四低通滤波器954，956，各个低通滤波器的输出通过第一和第二反馈电缆960，962分别被连接到反馈控制器928的第三和第四输入。
反馈控制器928的输出通过各个放大器930a，930b连接到第一和第二移相器914，920的控制输入。各个移相器914，920的控制输入被用于根据所提供的信号去调节施加给控制输入上的信号的相移量。
从上文中可见，第一混频器组件902、第一和第二移相器914，920、控制单元928和放大器930a，930b是位于TCU704之内，而第二混频器组件904是位于天线组件702处。换句话说，第一和第二混频器组合902，904是位于相对端上，并且由馈线756，758连接到一起。以下要具体参照图11来描述。
自动相位补偿设备900被用于补偿馈线756，758各端信号Sa，Sb之间的任何相位差变化。这种变化可能是由馈线之间的热胀冷缩差别造成的。例如，馈线之间热胀冷缩的差别就会造成这种变化。按图9实施的馈线变化相位补偿技术对天线组件发射的所有信号是共同的，因而对所有天线运营商也是共同的。
在操作中，参照图8所述的第一和第二组合器单元730，740输出的信号Sa，Sb分别被提供给第一和第二耦合器910，912的输入。第一耦合器910提取一部分信号Sa，并将其馈送到第一混频器916的第一输入和90度移相器918的输入。90度移相器按90度调节信号Sa被提取部分的相位，并将其提供给第二混频器922的第二输入。
第二耦合器912提取一部分信号Sb，并将其馈送到第二混频器922的第一输入和第一混频器916的第二输入。各个混频器916，922将其输入上接收的信号混频，并将混频信号分别输出到第一和第二低通滤波器924，926。从中可以看出，从第一混频器916提供给第一低通滤波器924的混频信号与信号Sa，Sb的“同相”载波分量成正比，而第二混频器922提供给第二低通滤波器926的混频信号与信号Sa，Sb的正交载波分量成正比。为了获得信号Sa与Sb之间相位差的明确测量值，需要使用“同相”和正交分量。
低通滤波器924，926从混频信号中基本上消除包括载波分量和混频器中调幅后的零值载波造成的短时间波动，仅留下DC项，并且将DC信号提供给反馈控制器928的第一和第二输入。
在馈线756，758上提供给第二混频器组合904的信号Sa，Sb还被第三和第四T-抽头940，942提取后按照上文所述相同的方式提供给第三和第四混频器946，952。第三和第四混频器的输出分别与信号Sa，Sb的同相载波分量和正交分量成正比。混频信号被提供给第三和第四低通滤波器954，956，再次对信号滤波仅留下DC项，然后将DC信号提供给反馈控制器928的第三和第四输入。
图10表示第一和第二(或第三和第四)低通滤波器的输出作为其输入信号之间相位差的函数的一个例子。
反馈控制器928通过比较低通滤波器924，926，954，956的输出来计算天线系统的以下特性：信号Sa，Sb在TCU704处的相位差，信号Sa，Sb在特性组合702处的相位差，以及为了补偿控制单元与图中组合之间相位差的差别所需的相位误差调节。
反馈控制器928还能确定信号Sa，Sb在控制单元704处的载波功率，信号Sa，Sb在天线组件702处的载波功率，以及沿着馈线756，758长度的信号损失或衰减。
反馈控制器928能够输出一个控制信号，信号通过放大器930a，930b提供给第一和第二移相器914，920的相位控制输入。第一和第二移相器根据来自反馈控制器928的控制信号去调节施加在信号Sa，Sb上的相移量。将误差降低到最低水平。换句话说，反馈控制器928能够确保信号Sa，Sb之间在控制单元704处的相位差基本上等于信号Sa，Sb之间在天线组件702处的相位差。对所有载波的集合波形执行这一程序，并在天线组件处的相位差与控制单元处的相位差偏离到达预定量时执行相位补偿。这样就能补偿馈线756，758上信号相位的任何变化。
在图11中用框图形式表示天线系统的一种最佳形式，用于说明如何将图9中所示的自动相位补偿设备纳入图8的系统中。图中的比例没有象前面的图中那样详细表示系统的个别部分，而是仅仅表示了一个用户和一种极性的连接，可以理解该系统允许多达五个运营商1760A-1760E基本上同时使用天线系统，各个运营商按不同的运营商频带发射和接收信号。
在图11中表示了两个TCU704a，704b用于说明本发明的系统如何配合双极化天线组件702使用。各个TCU704a，704b包括一个类似于图9中所示的自动相位补偿设备900，其一部分位于天线组件702本身处，类似于图8中所示的一对组合器单元730，740，以及类似于图8中所示每个运营商一个的总共五个DPCU750(图中仅仅表示了一个完整的DPCU)。
各个运营商1760A-1760E在基站1762具有发射机端口726a和接收机端口726b，各自按上述方式连接到各个DPCU。由于可能有五个运营商希望使用这一天线系统，TCU包括十个微分相位控制子单元，每个运营商两个。微分相位控制子单元的输出按照图8所示的方式被连接到发射组合器网络734，744的输入或是第一和第二组合器单元730，740中多路分解器736，746的输出。
各个组合器单元730，740的输出按照图9中所示分别被提供给自动相位补偿设备900的第一和第二混频器组合。在信号Sa，Sb之间相位差的任何变化在TCU704处用混频器组件902测得的和在天线组件702处用混频器组件904测得的信号Sa，Sb之间的相位差中的任何变化都会影响天线组件对所有运营商的倾斜角度，因而需要通过自动相位补偿设备900来补偿。补偿的信号被提供给天线组件按常规的方式发射。
如上所述，组合器单元730，740中的发射组合器网络736，744各自具有五个输入，而多路分解器736，746各自具有五个输出。因此应该理解，尽管每个运营商需要有两个微分相位控制子单元，一个用于发射，另一个用于接收，所有五个运营商可以共享TCU704中的两个组合器单元730，740。使用该基站的其它运营商各自有各自的一对微分相位控制子单元，其输出被连接到发射组合器网络734，744的其它输入或是组合器单元730，740内多路复用器736，746的输出。由于信号的微分相移出现在被发射组合器网络734，744多路复用之前，各个运营商可以独立设置单独的倾斜角度。
图11中设备的优点在于它能够补偿馈线756，758长度上由于馈线之间热胀冷缩带来的任何差别，这种相位补偿方法对系统中所有运营商是共同的。在另一最佳实施例中，相位补偿是对各个运营商单独进行的。另外，图11的设备只能补偿馈线到天线组件的长度上出现的差别，而实际中在组合器单元730，740中和在输入载波线720，722中也会出现相位差误差。
图12是包括第二种装置的一种天线系统，该装置用于为各个运营商单独补偿信号Sa，Sb的相位差在发射路径的天线振子一端和发射路径的基站一端之间的任何变化。在本实施例中，天线系统包括按照图8所示布置的一个天线组件702和一个TCU704。天线组件还包括一个矢量测量接收模块(VMRM)1010。VMRM1010包括一个矢量测量接收机(VMR)1012和与其连接的矢量测量接收机控制器(VMRC)1014。在图12中，天线组件702仍然是双极化天线，并且如图所示需要提供两个VMR，各自被连接到公共VMRC1014。然而，为了清楚起见仅仅描述一种极化的连接和VMR1012的操作。或者是仅仅包括一个VMR，并提供开关装置在系统的两中极化之间切换到VMR的输入。
TCU704包括一个TCU控制器(TCUC)1016，利用能够传送数字信号的控制电缆1018将其连接到VMRC1014。控制电缆1018还可以用于传送天线组件702中VMRM1010所需的功率。TCUC1016有一个控制输入被连接到两个微分相位控制子单元750a，750b中各个发射和接收相位调节器760a，760b，762a，762b的控制输入。TCUC1016还有一个控制输入被用于从网络运营商接收控制信号，以便为天线组件702设置所需的倾斜角度。在各个输入载波线720，722上设有各自的T-抽头或检漏头(sniffer)1020，1022。各个检漏头1020，1022的输出被连接到VMR1012的输入。
图13是VMR1012的示意性框图，并表示其对VMRC1014的连接。各个检漏头1020，1022的输出被馈送到各自的衰减器1024，1026的输入，其输出被连接到第一和第二接收机1028，1030各自的第一输出。第一接收机的输出被馈送到第一限制器1032的输入，其输出通过一个90度移相器1036被连接到第一比较器1034，还被直接连接到第二比较器1038的输入。第二接收机1030的输出被馈送到第二限制器1040的输入，其输出被直接连接到第一和第二比较器1034，1038。
第一和第二接收机1028，1030各自可以用本地振荡器1042来调谐。本地振荡器1042按预定频率产生一个信号，在各个接收机中与来自T-抽头的信号组合器产生一个中频输出信号，中频输出信号被提供给各个限制器1032，1040。本地振荡器1042的作用是将第一和第二接收机1028，1030各自调谐到运营商使用的频率。这样就能测量来自一个以上运营商的信号Sa，Sb的相位，这样就能解释不同运营商频率直接在误差补偿上的差别。
第一和第二比较器1034，1038各自的输出被连接到各个低通滤波器1044，1046的输入，各个滤波器的输出被馈送到VMRC1016的各个输入。
同时参见图12和13，TCU704在操作中按照上述方式工作，在馈线756，758上提供信号Sa，Sb，信号在输入端口712，714被输入到天线组件702，并且提供给输入载波线720，722。第一和第二T-抽头1020，1022提取各个信号Sa，Sb的一部分，并将提取的部分提供给各个衰减器1024，1026。衰减器的作用是将各个接收机的信号输入设置在为接收机相对于其动态范围，线性度和抗扰性提供最佳性能的水平。信号Sa，Sb的衰减部分在各个接收机1028，1030中与本地振荡器1042提供给它的信号组合，并使各个接收机1028，1030输出的中频信号通过各个限制器1032，1040，消除信号内的振幅变化。
信号Sa的提取部分通过按90度调节信号相位的移相器1036馈送到第一比较器1034。信号Sb的提取部分被直接馈送到第一比较器1034。第一比较器1034的输出被提供给第一低通滤波器1044，从比较器输出的信号中基本上消除包括任何残余载波分量，还有因信号的振幅在比较器的输入经过零值造成的任何短时间变化，仅留下DC项。
信号Sa的提取部分和信号Sb的提取部分一样还直接馈送到第二比较器1038。第二比较器1038的输出被提供给第二低通滤波器1046，它象第一低通滤波器一样从比较器输出的信号中基本上消除包括任何残余载波分量，还有因信号的振幅在比较器的输入经过零值造成的任何短时间变化，仅留下DC项。
第一低通滤波器1044的输出就是信号Sa，Sb之间相位差的正交形式，而第二低通滤波器1046的输出就是信号Sa，Sb之间相位差的“同相”形式。为了提供信号Sa，Sb之间相位差的明确测量值，同时需要正交和同相两种形式。
第一和第二接收机1028，1030还产生各自的接收机信号强度指示(RSSI)，它们各自被提供给VMRC1014传送到TCUC1016。RSSI被用于内置的测试目的和一个健康与安全评估指示器。VMRC1014也设有一个温度传感器和加热器1048。传感器测量VRMC处的温度并用于启动加热器，将最低工作温度限制在一个安全值，以确保正确操作。
VMRC1014的输出是信号Sa，Sb之间相位差的直接测量值，并通过数字控制电缆1018提供给TCUC1016。TCUC1016被用于将第一和第二接收机1028，1030调谐到特定频率，并在该频率上获得所需的倾斜角度(即信号Sa，Sb之间所需的相位差)。TCUC1016接收到所需频率上信号Sa，Sb之间的相位差测量值，向各个微分相位控制子单元150a，150b中的第一和第二发射和接收移相器的控制输入提供控制信号，使得天线组件702的实际电气倾斜角度基本上符合所需的电气倾斜角度。
可以看出图12的设备能够借助于VMRM1012独立补偿不同运营商之间(因其不同工作频率造成)的相移误差。可以在系统最初开机时，在需要改变电气倾斜角度时，和/或需要周期性例如是每10分钟补偿馈线中受热波动时这种执行测量和相位调节程序。
TCUC1 016还可以设置在本地模式或远程模式。在本地模式，各个运营商所需的电气倾斜角度是在本地由TCU704设置的。按照远程模式，可以遥控设置所需的电气倾斜角度，例如是通过无线电链路或通过电话线等等。
TCU704还能在本地和/或远程显示各个运营商所需的电气倾斜角度，天线组件的实际电气倾斜角度，各个运营商的所需和实际电气倾斜角度之间的误差，天线组件上各个运营商的信号的RF功率电平，天线组件处的温度，以及TCU电源电压和电流。
在图14中表示有五个运营商使用图12中具有双极化天线的天线系统。为了清楚，仅仅表示了一种极化和一个运营商的连接。图14的实施例显然与图11中类似，唯一的区别是图11中的自动相位补偿装置被图12和13中的VMRM1010代替了。
在某些环境中，图12到14的设备足以适用于补偿不同运营商之间的相位差。然而，该方法依赖于通过发射路径确定的测量结果，而独立测量通过接收路径的相位差也能进一步改善精度。为了便于说明，说明书中所说的信号“发射路径”是指从组合器单元704输出的延迟信号沿着馈线756，758，沿着输入载波线720，722，以及到天线振子所遵循的路径，并且包括分路器、放大器、滤波器和出现在该路径中的其它部件。“接收路径”是指天线振子上接收的信号沿着载波线720，722，馈线756，758，以及到组合器单元704所遵循的路径，并且包括分离器、放大器、滤波器和出现在该路径中的其它部件。
图15和16表示另一种改进的装置，其中的相位差补偿是对发射和接收模式(即单独针对发射和接收路径)单独执行的，对各个运营商频率也是单独执行。为了简化，图15仅仅表示了双极化天线组件1502的两个天线子阵列(而在图8中有三个)；第一正极化子阵列1500A+和第二正极化子阵列1500B+，和两个负极化子阵列1500A-，1500B-。对负极化信道的操作是相同的，因而无需进一步描述。如果仅仅提供两个子阵列1500A+和1500B+，就不需要图8中的分路器(716A-716H)和组合器(726A，726B)，而载波线720，722直接向子阵列1500A，1500B提供输入信号。
用于测量和校正发射和接收路径之间时间延迟变化，从而控制天线电气倾斜角度的方法要在发射模式和接收模式下测量信号路径之间的相位差。测量是用基站发射机(下行链路)或基站接收机(上行链路)使用的频率来实施的。采用这种方法有可能测到一对馈线之间在各个运营商使用的发射频率和分配的接收频率下的相位差。
首先考虑对接收路径的相位差测量，天线组件(如图15所示)包括一个校准音频发生器(CTG)1610，它包括校准振荡器1612，可变衰减器1614，带通滤波器1616，和第二衰减器1618。图8和12的矢量测量接收机1014也是相同的，还有天线校准控制器(ACC)1640，用它来控制校准音频发生器(CTG)1610和与基站1762的系统校准控制器(SCC)的通信。CTG1610被用于产生未经调制的200Hz带宽单音，在2GHz下最好是稳定在+/-10kHz或是在105下稳定在+/-2部分。单音被设置在所需的频率，利用天线校准控制器(ACC)1640测量特定运营商的接收倾角。可以利用衰减器1614调节信号电平，并且用带通滤波器1616防止发射频率的信号进入校准振荡器1612(只有接收频率才能通过)，并需要用衰减器1618实现阻抗匹配。
单音信号被提供给第一分路器/组合器单元1620(SP1)，沿着四条相等信号路径1660a，1660b，1662a，1662b分离，两条信号路径1660a，1660b到第一和第二正极化馈线720，722，而两条信号路径1662a，1662b到第一和第二负极化馈线1521，1523。各个信号通过各自的分路器/组合器单元1622-1628(SC1-SC4)注入各自的馈线。为了简化，仅仅考虑了去到正极化阵列的子阵列的馈线756，758和载波线720，722，但是同样的相位补偿原理也可以应用于负极化阵列的馈线1756，1758和载波线1720，1722。
单音信号或是其各部分在各个接收信道的边沿(典型的信道间隔是5MHz)通过一个定向耦合器1630被注入载波线720，722，使得单音信号不会干扰或叠加在接收信号上。提供给各个载波线720，722的单音信号被提供给带通滤波器和放大器的各个装置1642，1644。相同的装置1642，1644各自包括各自的接收频率臂(arm)1642a，1644a和各自的发射频率臂1642b，1644b。各个装置的接收频率臂包括用于选择发射接收频率的带通滤波器(BPF，FRx)。各个装置的发射频率臂包括用于选择发射发射频率的带通滤波器(BPF，FTx)。在接收频率臂1642a，1644a中还希望包括一个低噪声放大器(LNA)。
参见图16，通过发射频率臂1642b，1644b发射的单音信号从端口752，754(同样如图12所示)提供给基站1762。图16表示用于五个不同运营商的基站1762，尽管图中仅仅表示了用于某些运营商的基站部件。图16中的注释“/5”表示有五个这种部件(尽管没有表示)，对其它数量也是一样(例如“/30”代表有30个这种部件)。
对于天线1502的第一子阵列1500A+，及其各自的载波线720，在基站1762中设有用于接收信号的单一滤波器装置1650a，接收的信号被一个五路分离器单元1651分离后提供给各个可变延迟单元760b(也就是相当于图12中所示，并且每个运营商有一个)。来自另一子阵列1500B和各自载波线722的接收信号通过一个滤波器装置1650b到达第二可变延迟单元762b(同样是为一个运营商仅仅表示了一个)。
通过载波线720，722回送到基站1762的接收信号通过各自的滤波器装置1650a，1650b提供给天线控制单元中的第二矢量测量接收机1638(VMR)，或是通过各自的定向耦合器1632，1634提供给基站1762。在接收模式下，单音信号源发自CTG1612，并且遵循和接收信号一样的接收路径下行提供给载波线720，722。矢量测量接收机1638在系统校准控制器1646的控制下工作，为选定的运营商选择一对合适的定向耦合器1632，1634，从中获得测量所需的接收单音信号的一个采样。对通过馈线720，756和通过馈线722，758发射的单音信号之间的延迟的测量(即“接收路径相位差测量”)是由VMR1638获得的，连同信号强度信息一起送回SCC1646。在接收路径的天线和组合器单元一端从载波线对720，756和722，758之间测得的相位差差别被用于按所需的量调节天线处的相位差，确保各个运营商所需的电气倾斜角度符合要求。具体地说，SCC1646将有关选定运营商的可变延迟调节到要求的延迟，允许接收路径中存在差异。可以依次对各个运营商随时执行这种操作，以维持对天线的正确调节。
对于接收路径校准(即相位补偿)的理想选择是单音信号频率处在或是接近运营商频道的边沿，但是也可以选择落在运营商频道之内的单音信号频率。典型的接收路径频道带宽是5MHz，而单音信号的最佳带宽是200Hz。
接着参照图16来考虑发射路径，天线基站1762还包括与馈线720，722相关的各个发射滤波器装置1652A，1654A。发射滤波器装置1652A，1654A被用于对运营商A的发射频率信号滤波，但是防止接收频率信号通过。对于各个运营商B和E，为各个载波线720，722也设有对应的发射滤波器装置1652B，1652E，和1654B，1654E。
在本发明的这一具体实施例中，运营商C和D在负极化天线振子(1500A-，1500B-)上发射，而运营商A，B和E在正极化天线振子(1500A+，1500B+)上发射。
如上文参照图8和12所述，三个运营商A，B和E各自的发射信号被分离器单元725a分离，并通过各自的可变延迟单元760a(A，B或E)提供给滤波器装置1652A，1652B，1652E，1654A，1654B，1654E。各个滤波器装置的配置允许特定运营商频带内的信号通过，并分别向载波线720，722发射选定的运营商发射信号。
为了发射路径校准，天线1502的定向耦合器1630(如图15所示)从各个载波线720，722提取一小部分发射频率信号，并从线1656，1658上向天线1502内的矢量测量接收机(VMR)1014提供两个信号。对于各个运营商频道，VMR1014在选定发射信号带宽的中心频率处测量提供给馈线720的发射信号与提供给馈线722的发射信号之间的相位差，称为“发射路径相位差测量”。发射路径相位差测量带宽最好是选择在基本上与各个特定运营商的发射信号带宽相同。
在天线中计算的发射路径相位差测量值被反馈到ACC1640，它与基站1762的SCC1646(如图16所示)通信。SCC1646将在天线中发射信号之间测得的相位差与基站1762内设定的测定相位差相比较，在天线处对相位差进行调节，以确保在发射模式下获得各个运营商所需的电气倾斜角度，不管发射路径终端之间的相位差有没有差别。
参照图15和16所述的相位差补偿方法的优点在于能够通过相位差精确地确定倾斜角度，对发射和接收模式是独立的，对各个运营商A到E也是独立的。该方法允许所有运营商发射和接收位置按照发射和接收路径之间的相位差得到校准，不仅是在连续操作过程中，还可以用于制造时校准和测试，交货和维护。可以按照需要依次对各个运营商经常性地执行校准或补偿操作，以维持天线的准确调节。
例如在图9的设备中，所需的倾斜角度仅仅是在一个频率上获得的，对于其它频率，通过馈线756，758的相位差是不同的，因此，增加相位来获得最大增益的(“瞄准线”)方向是不同的。在这种系统中，相位差不仅对不同发射频率(即不同运营商)是不同的，对于各个发射和接收路径也是不同的。采用图15和16的系统能够为各个运营商获得精确的理想倾斜角度，并且在必要时能确保对发射和接收模式是相同的，在两个路径中可能出现的任何相位差都能得到补偿。另外，如果一个运营商要求在发射模式和接收模式下的倾斜角度不同，该系统也能满足。
作为用单音信号校准接收路径的另一种方法，可以在振荡器1612中产生一个扩展频谱信号。可以看到，若是采用这种技术，定向耦合器1632，1634将RF扩展频谱校准信号耦合到接收信号，在基站1762内的VMR1638中进行测量。
为了避免在天线塔顶部的天线1502中设置振荡器1612连同有关的衰减和滤波器部件1614，1616，1618，可以提供一个频率变换器，将(对于各个运营商)发射频率信号的采样转移到相应的接收路径中。在接收路径的底端测量发射信号之间的延迟，就能确定围绕整个发射/接收路径的差动延迟，并能在SCC1646内对各个运营商频道进行适当的调节。为了仅仅获得发射路径的独立测量值，对各个运营商频道可以将同样的发射信号转移到接收路径，即一个运营商的发射信号被用作所有运营商的校准信号。只要将接收路径的微分相位测量值与发射/接收环路的微分相位测量值相比较，就能确定各个运营商发射路径的相位差。
作为另外一个实施例，在基站1762只需要提供一个矢量测量接收机1014。在这种情况下，天线1502内的校准发生器振荡器(CGO)工作在发射和接收频率上，发射频率通过载波线720，722送回，以便在基站1762中测量相位差。为此，基站1762内的VMR1014也要调谐到发射频率以及接收频率。有可能将发射频率信号通过馈线720，722送回到基站1762内的VMR1014用于相位补偿，因为发射路径中不包括阻止反向传输的放大器或其它有源设备。
可以看出，本发明提供了一种有效的途径，允许多个运营商使用一个相控阵列天线组件，天线组件能够为各个运营商提供不同的电气倾斜角度，并且可以由运营商远程并独立地调节。
各个运营商的电气倾斜角度在发射和接收模式下也可以不同或是完全相同。
考虑到馈线热胀冷缩差别所带来的馈线上信号相位变化的问题，用于控制天线组件的电气倾斜角度的装置可以设在距天线组件足够远的位置，本发明提供了一种有效的方法和设备，可用于补偿这种相位变化，以使得天线上的电气倾斜角度完全和各个运营商所要求的电气倾斜角度相同。