專利名稱：電傾斜可控的相控陣天線系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及電傾斜可控的相控陣天線系統(tǒng)。該天線系統(tǒng)適用于許多電信系統(tǒng)，但尤其在通常稱為移動(dòng)電話網(wǎng)絡(luò)的蜂窩移動(dòng)無線電網(wǎng)絡(luò)中得到應(yīng)用。更具體地，但沒有限制，本發(fā)明的天線系統(tǒng)可與諸如GSM系統(tǒng)、CDMA(IS95)、D-AMPS(IS136)和PCS系統(tǒng)的第二代(2G)移動(dòng)電話網(wǎng)絡(luò)和諸如通用移動(dòng)電話系統(tǒng)(UMTS)的第三代(3G)移動(dòng)電話網(wǎng)絡(luò)及其它蜂窩系統(tǒng)一起使用。
蜂窩移動(dòng)無線電網(wǎng)絡(luò)的運(yùn)營(yíng)商一般采用其自己的基站，每個(gè)基站具有至少一個(gè)天線。在蜂窩移動(dòng)無線電網(wǎng)絡(luò)中，天線是界定到基站的通信可發(fā)生的覆蓋區(qū)域的主要因素。覆蓋區(qū)域一般分成多個(gè)小區(qū)，每個(gè)小區(qū)與相應(yīng)的天線和基站相關(guān)聯(lián)。
每個(gè)小區(qū)包含用于與該小區(qū)中所有移動(dòng)無線電(移動(dòng)臺(tái))進(jìn)行無線電通信的基站?；就ㄟ^其它通信手段互連，通常是固定陸線或點(diǎn)對(duì)點(diǎn)無線電鏈路，從而允許遍布小區(qū)覆蓋區(qū)域的移動(dòng)無線電彼此進(jìn)行通信及與蜂窩移動(dòng)無線電網(wǎng)絡(luò)外的公共電話網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行通信。
已知使用相控陣天線的蜂窩移動(dòng)無線電網(wǎng)絡(luò)此類天線包括陣列，具有(通常八個(gè)或更多)單獨(dú)的天線單元，如偶極或片狀天線。天線具有包括主瓣和旁瓣的輻射方向圖。在接收模式，主瓣的中心是天線的最大靈敏度方向，而在發(fā)射模式，主瓣的中心是其主輸出輻射束的方向。相控陣天線的眾所周知的屬性是，如果天線單元接收的信號(hào)由于隨單元與陣列邊緣的距離而變化的延遲而被延遲時(shí)，則天線主輻射束被操控轉(zhuǎn)向增加延遲的方向。對(duì)應(yīng)于零和非零延遲變化的主輻射束中心之間的角度即傾角取決于延遲隨跨陣列的距離而變化的速率。
延遲可通過更改信號(hào)相位而等效實(shí)施，因而有這樣的表達(dá)相控陣。因此，通過調(diào)整饋入天線單元的信號(hào)之間的相位關(guān)系，可改變天線方向圖的主射束。這允許操控射束以修改天線的覆蓋區(qū)域。
蜂窩移動(dòng)無線電網(wǎng)絡(luò)中的相控陣天線操作員要求調(diào)整其天線的垂直輻射方向圖，即方向圖在垂直面的橫截面。這是改變天線主射束的垂直角度也稱為“傾斜”以調(diào)整天線的覆蓋區(qū)域所必需的。例如，可能需要進(jìn)行此類調(diào)整以補(bǔ)償蜂窩網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)或基站或天線數(shù)量的變化。已知以機(jī)械方式和電方式單獨(dú)或組合調(diào)整天線傾角。
通過移動(dòng)天線單元或其外罩(天線罩)，可以以機(jī)械方式調(diào)整天線傾角這稱為調(diào)整“機(jī)械傾斜”的角度。如上所述，通過更改饋入每個(gè)天線陣單元(或單元組)或從每個(gè)天線陣單元(或單元組)接收的信號(hào)的時(shí)間延遲或相位而無物理移動(dòng)，可以以電方式調(diào)整天線傾角這稱為調(diào)整“電傾斜”的角度。在蜂窩移動(dòng)無線電網(wǎng)絡(luò)中使用時(shí)，相控陣天線的垂直輻射方向圖(VRP)具有多個(gè)重要要求1.高視軸(boresight)增益；2.第一上部旁瓣電平足夠低以避免干擾使用不同小區(qū)中基站的移動(dòng)臺(tái)；3.第一下部旁瓣電平足夠高以允許在天線臨近處進(jìn)行通信；4.天線電傾斜時(shí)保持在預(yù)定限制內(nèi)的旁瓣電平。
這些要求是相互沖突的，例如，增加視軸增益可能增加旁瓣的電平。此外，旁瓣的方向和電平在天線電傾斜時(shí)可能更改。
相對(duì)于視軸電平，-18dB的第一上部旁瓣最大電平被認(rèn)為在整體系統(tǒng)性能上提供了合適的折衷。
調(diào)整機(jī)械傾角或電傾角的結(jié)果是重新定位視軸使得對(duì)于在垂直面的陣列，它指向水平面上方或下方，并因而更改天線的覆蓋區(qū)域。希望是能夠改變蜂窩無線電基站天線的機(jī)械傾斜和電傾斜兩者由于這些傾斜形式對(duì)天線地面覆蓋范圍有不同影響，并且還對(duì)站臺(tái)臨近處的其它天線有不同影響，因此，這使得在優(yōu)化小區(qū)覆蓋范圍中有最大靈活性。此外，如果可以從天線裝置遠(yuǎn)程調(diào)整電傾角，則操作效率得以提高。盡管天線的機(jī)械傾角可通過重新定位其天線罩而進(jìn)行調(diào)整，但更改其電傾角需要附加的電子電路，這增加天線的成本和復(fù)雜性。此外，如果在多個(gè)操作者之間共享單個(gè)天線，則優(yōu)選為每個(gè)操作者提供不同的電傾角。
從共享天線獲得單獨(dú)的電傾角的需要到目前為止導(dǎo)致天線性能的損害。由于天線有效孔徑的減小，視軸增益將與傾角的余弦成比例降低(這是不可避免的并且發(fā)生在所有天線設(shè)計(jì)中)。作為用于更改傾角的方法的結(jié)果，可能導(dǎo)致視軸增益進(jìn)一步減小。
“天線工程師手冊(cè)”(R.C.Johnson，Antenna Engineers Handbook，3rd Ed 1993，McGraw Hill，ISBN 0-07-032381-X，Ch 20，F(xiàn)igure 20-2)公開一種用于在本地或遠(yuǎn)程調(diào)整相控陣天線的電傾角的已知方法。在此方法中，射頻(RF)發(fā)射器載波信號(hào)被饋入天線并被分配到天線的輻射單元。每個(gè)天線單元具有與其相關(guān)聯(lián)的相應(yīng)移相器，使得信號(hào)相位可隨跨天線的距離的變化而被調(diào)整，從而改變天線的電傾角。天線未傾斜時(shí)到天線單元的功率分配是成比例的，以便設(shè)置旁瓣電平和視軸增益。在為所有傾角控制相位波前(phase front)使得在傾斜范圍內(nèi)旁瓣電平不增加時(shí)，獲得傾角的最佳控制。如果需要，可通過使用伺服機(jī)構(gòu)以控制移相器來遠(yuǎn)程調(diào)整電傾角。
此現(xiàn)有技術(shù)方法天線具有多個(gè)缺點(diǎn)。每個(gè)天線單元需要一個(gè)移相器。由于所需的移相器的數(shù)量原因，天線的成本高。通過將延遲裝置應(yīng)用到相應(yīng)的天線單元組而不是各個(gè)單元降低了成本，但增加了旁瓣電平。延遲裝置的機(jī)械耦合用于調(diào)整延遲，但難以進(jìn)行正確的調(diào)整；另外，需要機(jī)械鏈路和齒輪導(dǎo)致了延遲的非最佳分配。天線朝下傾斜時(shí)上部旁瓣電平增加，從而形成使用其它小區(qū)的移動(dòng)臺(tái)的潛在干擾源。如果天線由多個(gè)操作員共享，則操作員具有共同的電傾角而不是不同的角度。最后，如果天線在具有不同頻率(這是通常情況)的上行鏈路和下行鏈路的通信系統(tǒng)(頻分雙工系統(tǒng))中使用，則電傾角在發(fā)射和接收模式中不同。
專利申請(qǐng)PCT/GB2002/004166、PCT/GB2002/004930、GB0307558.7和GB0311371.9描述通過饋入天線電路的兩個(gè)信號(hào)之間的相位差在本地或遠(yuǎn)程調(diào)整天線的電傾角的不同方法。PCT/GB2004/001297涉及通過將載波信號(hào)分成兩個(gè)信號(hào)、將一個(gè)信號(hào)相對(duì)于另一信號(hào)進(jìn)行可變移相并對(duì)結(jié)果信號(hào)應(yīng)用相位到功率轉(zhuǎn)換來調(diào)整電傾斜。分離所轉(zhuǎn)換的信號(hào)并進(jìn)行功率到相位轉(zhuǎn)換以提供到天線單元。通過改變這兩個(gè)信號(hào)之間的相移而調(diào)整電傾斜。PCT/GB2004/002016也涉及在兩個(gè)信號(hào)之間引入可變相對(duì)相移，這兩個(gè)信號(hào)隨后被分離成分量形成這些分量的矢量組合來為各個(gè)天線單元提供相應(yīng)的驅(qū)動(dòng)信號(hào)。此處同樣通過改變這兩個(gè)信號(hào)之間的相移而調(diào)整電傾斜。
然而，存在一個(gè)與分離RF信號(hào)有關(guān)的問題，這就是分離器比率(splitter ratio)可能太高而無法在單個(gè)分離操作中實(shí)施它可能需要兩個(gè)或更多個(gè)級(jí)聯(lián)操作，這增加了電路大小、成本和復(fù)雜性。關(guān)于此的原因在于以下事實(shí)通過將電路板上的微帶軌道(track)分割成更窄的條帶實(shí)施分離器，這些條帶與分割前的軌道相比具有不同的阻抗。通過高度復(fù)雜的經(jīng)驗(yàn)表達(dá)式，微帶阻抗與軌道寬度相關(guān)，但對(duì)于典型的板襯底厚度，50歐姆的軌道會(huì)有2.8毫米寬。軌道隨阻抗增加而變窄，直至它太窄而無法可靠地焊接到襯底。在軌道寬度低于大約0.2毫米時(shí)出現(xiàn)無法產(chǎn)生可靠的焊接此寬度產(chǎn)生大約150歐姆的阻抗，表示9.5dB的分離器比率，因此，對(duì)于單個(gè)分離器希望不要超過該值。PCT/GB2004/001297要求19dB的分離器比率，這意味著級(jí)聯(lián)至少兩個(gè)分離器操作。
其它潛在的問題如下a)需要的分離器輸出可能太多，超過單個(gè)分離器中可實(shí)施的數(shù)量；b)廣泛變化的分離器比率減小了天線在保持希望的低旁瓣電平的同時(shí)可以傾斜的頻率范圍；以及c)多個(gè)分離器導(dǎo)致到天線的共同信號(hào)饋入網(wǎng)絡(luò)，并且到各個(gè)天線單元的饋線長(zhǎng)度不同。在這些問題中，c)要求插入附加的組件，使得到每個(gè)單元的信號(hào)渡越時(shí)間相同，從而獲得相位中性網(wǎng)絡(luò)和優(yōu)化的頻率響應(yīng)。所有這些問題使得希望減少分離器數(shù)量和分離器比率。
本發(fā)明的目的是提供一種替代形式的相控陣天線系統(tǒng)。
本發(fā)明提供一種電傾斜可控、包括具有多個(gè)天線單元的天線的相控陣天線系統(tǒng)，其特征在于該系統(tǒng)具有a)用于提供兩個(gè)其間具有可變相對(duì)延遲的基本信號(hào)的部件，b)用于將這些基本信號(hào)分割成信號(hào)分量的分離部件，c)用于將這些信號(hào)分量轉(zhuǎn)換成變換的分量的相位到功率轉(zhuǎn)換部件，這些變換的分量具有隨該相對(duì)延遲變化而變化的功率，以及d)用于將這些變換的分量轉(zhuǎn)換成天線單元驅(qū)動(dòng)信號(hào)的功率到相位轉(zhuǎn)換部件，這些驅(qū)動(dòng)信號(hào)具有在該天線電傾斜時(shí)跨該天線從一個(gè)天線單元到另一天線單元逐漸變化并且隨該相對(duì)延遲變化而單獨(dú)變化的相位。
本發(fā)明提供的優(yōu)點(diǎn)在于它允許通過單個(gè)可變相對(duì)延遲控制電傾斜，但在需要時(shí)可使用多個(gè)延遲以增加電傾斜的可達(dá)到范圍，并且它要求較少的分離操作。
相位到功率轉(zhuǎn)換部件可以是多個(gè)用于提供信號(hào)分量對(duì)的和與差的混合射頻耦合裝置(“混合電路”)，每對(duì)具有來自兩個(gè)基本信號(hào)的信號(hào)分量。它可以是多個(gè)用于提供信號(hào)分量對(duì)的和與差的180度混合電路，每對(duì)具有來自兩個(gè)基本信號(hào)的信號(hào)分量。每對(duì)可具有幅度相等的信號(hào)分量，并且每對(duì)的分量幅度不等于另一對(duì)的分量幅度。
混合電路可以是第一混合電路，并且功率到相位轉(zhuǎn)換部件可包括多個(gè)用于生成天線單元驅(qū)動(dòng)信號(hào)的第二混合電路。分離部件可以是第一分離部件，并且功率到相位轉(zhuǎn)換部件可包括用于將這些和與差分割成分量以輸入到第二混合電路的第二分離部件。第一分離部件可用于將每個(gè)基本信號(hào)分成三個(gè)信號(hào)分量。第二分離部件可以是多個(gè)雙向分離器。
在優(yōu)選實(shí)施例中，安排本發(fā)明使得基本信號(hào)到天線單元的所有路徑包含相同數(shù)量和類型的分量。
另一方面，本發(fā)明提供一種控制包括具有多個(gè)天線單元的天線的相控陣天線系統(tǒng)電傾斜的方法，其特征在于該方法包括以下步驟a)提供兩個(gè)其間具有可變相對(duì)延遲的基本信號(hào)，b)將這些基本信號(hào)分割成信號(hào)分量，c)將這些信號(hào)分量轉(zhuǎn)換成變換的分量，這些變換的分量具有隨該相對(duì)延遲變化而變化的功率，以及d)將這些變換的分量轉(zhuǎn)換成天線單元驅(qū)動(dòng)信號(hào)，這些驅(qū)動(dòng)信號(hào)具有在該天線電傾斜時(shí)跨該天線從一個(gè)天線單元到另一天線單元逐漸變化并且隨該相對(duì)延遲變化而單獨(dú)變化的相位。
本發(fā)明的方法方面可包括經(jīng)必要修正與天線系統(tǒng)方面的那些特性相當(dāng)?shù)膬?yōu)選特性。
為可以更完整地理解本發(fā)明，現(xiàn)在將參照附圖，僅通過示例方式描述本發(fā)明實(shí)施例，圖中

圖1示出電傾角為零和非零的相控陣天線的垂直輻射方向圖(VRP)；圖2示出電傾角可調(diào)整的現(xiàn)有技術(shù)的相控陣天線；圖3是使用單個(gè)時(shí)間延遲的本發(fā)明的相控陣天線系統(tǒng)方框圖；圖4是使用兩個(gè)時(shí)間延遲的本發(fā)明的相控陣天線系統(tǒng)方框圖；圖5示出在圖3或圖4的系統(tǒng)中使用的配電網(wǎng)絡(luò)；圖6a和6b示出在具有十二個(gè)單元的天線的本發(fā)明系統(tǒng)中使用的配電網(wǎng)絡(luò)；圖7是在圖5和圖6網(wǎng)絡(luò)中使用的180度混合RF耦合裝置示意圖；圖8a和8b是矢量圖，示出由圖6網(wǎng)絡(luò)產(chǎn)生的天線單元驅(qū)動(dòng)信號(hào)的相位；圖9示出180度混合電路182，它接收兩個(gè)其間具有相對(duì)相移φ、振幅電壓Va和Vb相等的A和B輸入；
圖10是矢量+A、+B、-B、A+B和A-B的矢量圖；圖11示出A+B和A-B(點(diǎn)劃線)的相對(duì)幅度如何隨其相對(duì)相位差φ從-180度調(diào)整到0度再到+180度而變化的；以及圖12示出φ從-180度調(diào)整到0度再到+180度時(shí)的A+B和A-B相位變化。
參照?qǐng)D1，示出天線12的垂直輻射方向圖(VRP)10a和10b，天線12是由各個(gè)天線單元(未示出)組成的相控陣。天線12是平面、具有中心14并垂直于圖形的平面延伸。VRP 10a和10b分別對(duì)應(yīng)于天線單元信號(hào)的延遲或相位隨著從陣列邊緣跨天線12的陣列單元距離的零和非零變化。它們具有帶有中心線或“視軸”18a、18b的相應(yīng)主瓣16a、16b、第一上部旁瓣20a、20b和第一下部旁瓣22a、22b；18c指示用于零延遲變化的視軸方向，以與非零延遲變化的視軸方向18b進(jìn)行比較。引用時(shí)如未帶有后綴a或b，例如，旁瓣20，則引用的是相關(guān)單元對(duì)中的任一單元而不區(qū)分。VRP 10b相對(duì)于VRP 10a是傾斜的(如圖所示向下傾斜)，即，在主射束中心線18b與18c之間存在一個(gè)角度-傾角，它的幅度取決于延遲隨跨天線12的距離而變化的速率。
VRP必須滿足多個(gè)標(biāo)準(zhǔn)a)高視軸增益；b)第一上部旁瓣20應(yīng)在足夠低的電平以避免引起對(duì)使用另一小區(qū)的移動(dòng)臺(tái)的干擾；c)第一下部旁瓣22應(yīng)在足夠的電平以可能在天線12的臨近處進(jìn)行通信；以及d)在天線電傾斜時(shí)旁瓣的電平和方向應(yīng)保持在預(yù)定的設(shè)計(jì)限制內(nèi)。這些要求互相沖突，例如，使視軸增益達(dá)到最大可增加旁瓣20、22。相對(duì)于視軸電平(主射束16的長(zhǎng)度)，-18dB的第一上部旁瓣最大電平被認(rèn)為在整體系統(tǒng)性能上提供了合適的折衷。由于天線有效孔徑的減小，視軸增益與傾角的余弦成比例降低。視更改傾角的方式而定，可能導(dǎo)致視軸增益進(jìn)一步減小。
調(diào)整機(jī)械傾角或電傾角的結(jié)果是重新定位視軸使得它指向水平面上方或下方，并因而調(diào)整天線的覆蓋區(qū)域。為獲得最大的使用靈活性，蜂窩無線電基站優(yōu)選具有可用的機(jī)械傾斜和電傾斜，因?yàn)槊總€(gè)傾斜對(duì)地面覆蓋范圍有不同影響并且還對(duì)臨近處的其它天線有不同影響。如果可以遠(yuǎn)離天線來調(diào)整天線的電傾斜，則這也是方便的。此外，如果在多個(gè)操作者之間共享單個(gè)天線，則優(yōu)選為每個(gè)操作者提供不同的電傾角，但在現(xiàn)有技術(shù)中這損害天線性能。
現(xiàn)在參照?qǐng)D2，示出現(xiàn)有技術(shù)的相控陣天線系統(tǒng)30，其中電傾角是可調(diào)整的。系統(tǒng)30包括用于射頻(RF)發(fā)射器載波信號(hào)的輸入端32，該輸入端連接到配電網(wǎng)絡(luò)34。網(wǎng)絡(luò)34經(jīng)移相器Phi.E0、Phi.E1L到Phi.E[n]L和Phi.E1U到Phi.E[n]U連接到相控陣天線系統(tǒng)30的相應(yīng)輻射天線單元E0、E1L到E[n]L和E1U到E[n]U此處，后綴U指示上部，并且后綴L指示下部，n是定義相控陣大小的任意正整數(shù)，并且諸如36的指示相關(guān)單元的虛線可根據(jù)任何希望的陣列大小的需要重復(fù)或去除。
相控陣天線系統(tǒng)30操作如下。RF發(fā)射器載波信號(hào)經(jīng)輸入端32饋入配電網(wǎng)絡(luò)34網(wǎng)絡(luò)34將此信號(hào)在移相器Phi.E0、Phi.E1L到Phi.E[n]L和Phi.E1U到Phi.E[n]U之間分割(不一定平均)，這些移相器分別將其相應(yīng)分割的信號(hào)進(jìn)行移相并將它們與相移一起傳遞到相關(guān)聯(lián)的天線單元E0、E1L到E[n]L、E1U到E[n]U。相移經(jīng)選擇以選擇適當(dāng)?shù)碾妰A角。傾角為零時(shí)在天線單元E0等之間的功率分配經(jīng)選擇以適當(dāng)?shù)卦O(shè)置旁瓣電平和視軸增益。在為所有傾角控制跨單元E0等組成的陣列的相位波前使得在傾斜范圍內(nèi)旁瓣電平不顯著增加時(shí)，獲得電傾角的最佳控制。如果需要，可通過使用伺服機(jī)構(gòu)以控制可以以機(jī)械方式起動(dòng)的移相器Phi.E0、Phi.E1L到Phi.E[n]L和Phi.E1U到Phi.E[n]U來遠(yuǎn)程調(diào)整電傾角。
相控陣天線系統(tǒng)30具有以下多個(gè)缺點(diǎn)a)每個(gè)天線單元或(更不利的是)每組單元需要一個(gè)移相器；b)由于所需的移相器的數(shù)量原因，天線的成本高；c)通過將移相器應(yīng)用到相應(yīng)的單元組而不是各個(gè)天線單元降低了成本，但增加了旁瓣電平；d)為正確設(shè)置延遲而進(jìn)行移相器的機(jī)械耦合困難，并且使用了導(dǎo)致非最佳延遲方案的機(jī)械鏈路和齒輪；e)天線朝下傾斜時(shí)上部旁瓣電平增加，從而形成使用其它基站的移動(dòng)臺(tái)的潛在干擾源。
f)如果天線由不同操作員共享，則所有操作者必須使用相同的電傾角；以及g)在具有不同頻率的上行鏈路和下行鏈路的系統(tǒng)(頻分雙工系統(tǒng))中，發(fā)射時(shí)的電傾角與接收時(shí)的電傾角不同。
現(xiàn)在參照?qǐng)D3，示出具有可調(diào)整電傾角的本發(fā)明的相控陣天線系統(tǒng)40。系統(tǒng)40具有用于RF發(fā)射器載波信號(hào)的輸入端42輸入端42連接到功率分離器44，由其提供兩個(gè)輸出信號(hào)V1a、V1b，分別作為到可變移相器46和固定移相器48的輸入信號(hào)。由于相移和時(shí)間延遲在單個(gè)頻率等效，因此，移相器46和48還可視為時(shí)間延遲。它們向配電網(wǎng)絡(luò)50提供相應(yīng)的輸出信號(hào)V2a和V2b，這將在稍后更詳細(xì)描述。
網(wǎng)絡(luò)50提供四個(gè)驅(qū)動(dòng)信號(hào)，這些信號(hào)經(jīng)固定移相器58U1、58U2、58L1和58L2分別傳遞到相控陣天線60的四個(gè)等間距天線單元60U1、60U2、60L1和60L2(U＝上部，L＝下部)。天線60具有由虛線61指示的中心。天線60可具有任何數(shù)量的單元，但它至少要具有兩個(gè)單元。
相控陣天線系統(tǒng)40操作如下。RF發(fā)射器載波信號(hào)經(jīng)輸入端42饋入(單饋線)到功率分離器44，在該處，它被分割成功率相等的信號(hào)V1a和V1b。信號(hào)V1a和V1b分別饋入可變移相器46和固定移相器48?？勺円葡嗥?6由操作員控制，以應(yīng)用可選相移或時(shí)間延遲，并且此處應(yīng)用的相移的度數(shù)控制相控陣天線60的電傾角。固定移相器48(方便但不是必需)應(yīng)用固定相移，為方便起見，該相移安排為可變移相器46可應(yīng)用的最大相移φM的一半。這使得V1a的相位可相對(duì)于V1b在-φM/2到+φM/2范圍內(nèi)是可變的，并且在從移相器46和48輸出后，移相后的這些信號(hào)如所述變成V2a和V2b。
網(wǎng)絡(luò)50從其輸入信號(hào)V2a和V2b形成信號(hào)的多種矢量組合來為每個(gè)天線單元60U1等提供相應(yīng)的驅(qū)動(dòng)信號(hào)。驅(qū)動(dòng)信號(hào)的相位隨離在一個(gè)邊緣的天線單元60U2或60L2的跨天線60的天線單元距離的變化而呈線性變化(或者可能帶有成形(contoured)相位錐度)，根據(jù)需要從天線60產(chǎn)生以某個(gè)角度向陣列視軸傾斜的平行射束。正如相控陣領(lǐng)域中眾所周知的，角度取決于相位隨跨天線60的距離而變化的速率?？梢宰C明(如稍后所述)，通過只使用一個(gè)可變移相器即可變移相器46可改變陣列60的電傾角。這與圖2現(xiàn)有技術(shù)要求具有多個(gè)可變移相器(每個(gè)天線單元一個(gè)相應(yīng)的移相器)相比?？勺円葡嗥?6引入的相位差為正時(shí)，電傾斜在一個(gè)方向上，并且該相位差為負(fù)時(shí)，電傾斜在反方向上。
固定移相器58U1等施加固定相移，這些固定相移在不同的天線單元60U1等之間根據(jù)跨陣列60的單元幾何位置呈線性變化(忽略相位錐度)在由可變移相器46施加的在信號(hào)V1a與V1b之間的相位差為零時(shí)，這將為陣列60視軸設(shè)置零參考方向(圖1中的18a或18b)。固定移相器58U1等不是必要的，但由于它們可用于a)使由傾斜過程引入的相移正確地成比例，b)優(yōu)化傾斜范圍內(nèi)旁瓣的抑制，以及c)引入任選的固定電傾角，因此，它們是優(yōu)選的。
如果存在多個(gè)用戶，則每個(gè)用戶可具有相應(yīng)的相控陣天線系統(tǒng)40?；蛘撸绻笥脩舨捎霉蔡炀€60，則每個(gè)用戶具有圖3中相應(yīng)的一組單元42到50，并且要求組合網(wǎng)絡(luò)組合信號(hào)以饋入天線陣列60。公布的國(guó)際專利申請(qǐng)WO 02/082581 A2描述了此類網(wǎng)絡(luò)。
現(xiàn)在參照?qǐng)D4，此圖示出使用兩個(gè)時(shí)間延遲或相移的本發(fā)明又一相控陣天線系統(tǒng)70。系統(tǒng)70具有連接到第一功率分離器74的RF載波信號(hào)輸入端72，分離器提供兩個(gè)輸出信號(hào)V1a、V1b以分別輸入第一可變移相器76和第一固定移相器78。它們提供相應(yīng)的輸出信號(hào)V2a和V2b到第二固定移相器80和第二功率分離器82。需要時(shí)，第一固定移相器78和第二固定移相器80可組合在單個(gè)設(shè)備中。第二功率分離器82將信號(hào)V2b分割成兩個(gè)信號(hào)V3b1和V3b2，這兩個(gè)信號(hào)傳遞到第二可變移相器84和第三固定移相器86。信號(hào)V3b1和V3b2隨后分別傳遞到將在稍后更詳細(xì)描述的第一和第二配電網(wǎng)絡(luò)88和90。信號(hào)V2a經(jīng)第二固定移相器82傳遞到第三功率分離器92以被分成分別饋入第一配電網(wǎng)絡(luò)88和第二配電網(wǎng)絡(luò)90的兩個(gè)信號(hào)V3a1和V3a2。
網(wǎng)絡(luò)88和90一起提供八個(gè)驅(qū)動(dòng)信號(hào)，這些驅(qū)動(dòng)信號(hào)經(jīng)固定移相器94U1到94L4分別傳遞到相控陣天線96的八個(gè)等間距天線單元96U1到96L4。網(wǎng)絡(luò)90驅(qū)動(dòng)最內(nèi)部的四個(gè)天線單元96U1、96U2、96L1和96L2，并且網(wǎng)絡(luò)88驅(qū)動(dòng)剩余天線單元。
相控陣天線系統(tǒng)70操作如下。RF發(fā)射器載波信號(hào)經(jīng)輸入端72饋入(單饋線)到第一功率分離器74，在該處，它被分成功率相等的信號(hào)V1a和V1b。信號(hào)V1a和V1b分別饋入第一可變移相器76和固定移相器和78。固定移相器78應(yīng)用由可變移相器76可應(yīng)用的最大相移的一半的相移。第一可變移相器76提供相控陣天線96的電傾角的部分控制，第二可變移相器76提供此控制的剩余部分。
配電網(wǎng)絡(luò)88和90分別接收輸入信號(hào)V3a1/V3b1和V3a2/V3b2，并且它們形成這些信號(hào)的矢量組合來為每個(gè)天線單元96U1等提供相應(yīng)的驅(qū)動(dòng)信號(hào)。驅(qū)動(dòng)信號(hào)的相位隨跨天線96的天線單元距離的變化呈線性變化。兩個(gè)可變移相器76和84的使用允許跨天線96應(yīng)用比單個(gè)相位可變移相器(如圖3中)更大范圍的相移，并因而可獲得更大范圍的電傾斜。
現(xiàn)在參照?qǐng)D5，示出通常為在圖3和圖4的50、88和90使用的那種配電網(wǎng)絡(luò)100，但它示出的天線單元多于與上述配電網(wǎng)絡(luò)相關(guān)聯(lián)的天線單元。網(wǎng)絡(luò)100具有兩個(gè)分別連接到第一和第二三向功率分離器106a和106b的輸入端102a和102b。第一三向功率分離器106a將具有振幅Va的輸入信號(hào)或矢量A分割成三個(gè)信號(hào)a1.A、a2.A和a3.A，其中，a1、a2和a3是標(biāo)量振幅分離比率。信號(hào)a1.A、a2.A和a3.A分別饋入第一、第二和第三180混合RF信號(hào)耦合裝置(混合電路)110、112和114的第一輸入端1。第二三向功率分離器106b將具有振幅Vb的輸入信號(hào)或矢量B分割成三個(gè)信號(hào)b1.B、b2.B和b3.B，其中，b1、b2和b3是第二分離器106b的標(biāo)量振幅分離比率。這三個(gè)信號(hào)b1.B、b2.B和b3.B分別饋入混合電路110、112和114的第二輸入端2。矢量A和B的振幅相等，即Va＝Vb?；旌想娐?10到114還稱為和與差混合電路。
每個(gè)混合電路110、112和114分別具有和與差輸出端S1/D1、S2/D2和S3/D3，在這些輸出端是其輸入信號(hào)A和B的矢量和A+B與差A(yù)-B。正如稍后將更詳細(xì)描述的，此類混合電路的屬性是，在此類混合電路的輸入信號(hào)振幅相等時(shí)，其和與差輸出在它們之間具有固定的相位差90度。即使這些輸入信號(hào)之間的相位差不同，情況也是這樣。A+B和信號(hào)彼此同相，A-B差信號(hào)也是如此，并且和信號(hào)與差信號(hào)呈90度。在輸入信號(hào)之間的相位差由于可變移相器46的操作而變化時(shí)，和與差輸出信號(hào)的幅度會(huì)變化例如，對(duì)于幅度相等的同相輸入信號(hào)，A+B＝2A及A-B＝0；對(duì)于反相的幅度相等的輸入信號(hào)，A+B＝0及A-B＝2A；對(duì)于相位差90度、幅度相等的輸入信號(hào)，A+B和A-B均等于 混合電路110、112和114因此充當(dāng)相位到功率轉(zhuǎn)換器，因?yàn)樗鼈儗⒐β屎愣ǖ辔徊羁勺兊妮斎胄盘?hào)轉(zhuǎn)換成功率可變但相位差恒定的輸出信號(hào)。
來自混合電路110、112和114的輸出端S1、S2和S3的A+B和信號(hào)分別饋入第四、第五和第六180混合電路116、118和120的對(duì)應(yīng)引用輸入端S1、S2和S3。類似地，來自混合電路110、112和114的輸出端D1、D2和D3的A-B差信號(hào)分別饋入第六、第五和第四混合電路120、118和116的對(duì)應(yīng)引用輸入端D1、D2和D3。
第四、第五和第六混合電路116到120也具有在每種情況下由“和”與“差”指示的和與差輸出端，其輸入信號(hào)的矢量和A+B與差A(yù)-B分別出現(xiàn)在這些輸出端。A+B和信號(hào)經(jīng)相應(yīng)的固定移相器122U1到122U3饋入六單元的相控陣天線124的上半部中相應(yīng)的天線單元124U1到124U3。類似地，A-B差信號(hào)經(jīng)固定移相器122L1到122L3饋入天線124的下半部中相應(yīng)的天線單元124L1到124L3。嚴(yán)格地說，移相器122U1到122L3和天線陣124不是網(wǎng)絡(luò)100的一部分，因?yàn)榘ňW(wǎng)絡(luò)的圖3和圖4已經(jīng)示出這些移相器和天線陣。第四、第五和第六混合電路116到120將其輸入端之間的功率差轉(zhuǎn)換成其輸出端的相位差，因此，它們充當(dāng)功率到相位轉(zhuǎn)換器。
如果在第一、第二和第三混合電路110到114的輸出端及第四、第五和第六混合電路116到120的輸入端之間插入另外的分離器，則在設(shè)置每個(gè)天線單元124L1等的所需相位和振幅方面存在進(jìn)一步的靈活性。為避免需要除在天線單元中以外耗散功率，只要第一、第二或第三混合電路110、112或114的輸出被分離，則添加另外的混合電路和天線單元以盡可能有效地使用所有RF功率。
天線單元124U1等與相應(yīng)的固定移相器122U1等相關(guān)聯(lián)，其目的是a)設(shè)置天線的標(biāo)稱平均傾斜以及b)優(yōu)化天線124在其傾斜范圍內(nèi)的波瓣的電平。
在圖5中，示出的混合電路110到120對(duì)其輸入應(yīng)用相等的加權(quán)即，對(duì)于輸入信號(hào)A和B，則和輸出為(A+B)，以及差輸出為(A-B)。然而，它們還可構(gòu)建為具有不相等加權(quán)的輸入A和B以產(chǎn)生和輸出(xA+yB)和差輸出(xA-yB)。此處x是應(yīng)用到輸入A的加權(quán)，并且y是應(yīng)用到輸入B的加權(quán)。要在不相等加權(quán)的混合電路中節(jié)能，輸入其輸入端的總功率應(yīng)等于流出其輸出端的總功率，忽略在實(shí)際實(shí)施中不可避免的熱損失。使用不相等加權(quán)的混合電路可產(chǎn)生兩個(gè)優(yōu)點(diǎn)a)對(duì)在優(yōu)化天線單元相位和振幅分布方面的設(shè)計(jì)添加進(jìn)一步的靈活性；b)可在兩個(gè)或更多個(gè)分離器組件之間分配信號(hào)分離，從而減少任一分離器所需的最大分離比率并改善頻率響應(yīng)。
當(dāng)在系統(tǒng)40中使用時(shí)，配電網(wǎng)絡(luò)100的優(yōu)點(diǎn)是a)在分離器106a和106b只需一個(gè)分離操作，每個(gè)分離器只分離成三個(gè)信號(hào)；b)通過單個(gè)可變移相器或時(shí)間延遲裝置46實(shí)施傾斜；c)在網(wǎng)絡(luò)輸入端102a和102b的信號(hào)及信號(hào)轉(zhuǎn)換成的分量沿到天線單元124U1等的路徑通過數(shù)量和類型完全相同的組件，即，一個(gè)分離器和兩個(gè)混合電路(正如所述，嚴(yán)格地說，移相器122U1等不是網(wǎng)絡(luò)100的一部分)。在忽略由于非零制造公差而引起的變化下，這些路徑因此應(yīng)具有基本相同的電長(zhǎng)度。因此，避免網(wǎng)絡(luò)中由于不同路徑中不同類型組件而引起的相位和振幅誤差，并且在傾斜范圍內(nèi)可保持良好的射束形狀。此外，由于到單元的每個(gè)路徑的相位和振幅誤差變化相等并減少了相鄰天線單元之間的誤差，因此，在更大的頻率范圍內(nèi)保持射束形狀；c)在忽略組件偏離理想屬性的情況下，可實(shí)施天線而無需在天線單元外的任何組件中耗散RF功率；d)與使用多個(gè)可變時(shí)間延遲裝置、具有類似性能的天線相比，降低了相控陣天線的成本；以及e)通過使用大量的可變時(shí)間延遲裝置未損害天線的可靠性。
可在前面三個(gè)混合電路110到114的輸出端與其它混合電路116到120的輸入端之間插入分離器，以在設(shè)置饋入天線單元的信號(hào)的相位和振幅中引入更進(jìn)一步的靈活性。這將在下一實(shí)施例中描述。
現(xiàn)在參照?qǐng)D6a和圖6b，在兩個(gè)部分140a和140b中示出又一配電網(wǎng)絡(luò)140網(wǎng)絡(luò)140是與等間距的十二單元的相控陣天線148一起使用，但在其它方面同在圖3和圖4中的50、88和90使用的那種配電網(wǎng)絡(luò)。網(wǎng)絡(luò)140與參照?qǐng)D5所述的網(wǎng)絡(luò)相當(dāng)，具有額外的一列分離器142c到142h和足夠的混合電路1444到1449及固定移相器146U1到144L6來為天線148增加的天線單元148U1到148L6提供信號(hào)。與上述部分相當(dāng)?shù)牟糠忠灶愃频姆绞綐?biāo)注，并且說明將集中在不同的方面。
如上所述，在輸入端102a和102b，兩個(gè)具有相應(yīng)振幅Va和Vb的輸入信號(hào)矢量A和B由分離器106a和106b分離成信號(hào)部分a1.A、a2.A、a3.A和b1.B、b2.B、b3.B，并饋入第一、第二和第三混合電路110到114的第一和第二輸入端1和2即，信號(hào)a[n].A和b[n].B輸入第n個(gè)混合電路110+2n，n＝0、1和2。設(shè)置分離比率使得a1＝b1、a2＝b2和a3＝b3，以在混合電路110到114中實(shí)施相位到功率轉(zhuǎn)換。
現(xiàn)在還參照?qǐng)D7，此圖以示意圖方式示出具有輸入A和B及輸出A+B和A-B的180度混合耦合器132。曲線134指示從輸入到輸出的路徑，并且相關(guān)聯(lián)標(biāo)記-180和-360指示沿此類路徑通過的信號(hào)經(jīng)歷的相移或相當(dāng)?shù)难舆t。如圖所示，從A輸入1和B輸入2到A+B“和”輸出及從A到A-B“差”輸出的路徑134全部與-180度相移相關(guān)聯(lián)，而從B輸入2到A-B“差”輸出的路徑135與-360度相移相關(guān)聯(lián)。180度相移使正弦信號(hào)反相或?qū)⑺艘?1，而-360度相移保持它不變。因此，信號(hào)A與B均在傳遞到“和”輸出時(shí)反相，并因此相加在一起，但只有信號(hào)B在“差”輸出反相，并因此從A中減去。正如稍后將描述的，如果兩個(gè)幅度相等但相位不同的信號(hào)矢量均由180度混合電路進(jìn)行相加和相減，則結(jié)果的和與差矢量相互呈90度而與輸入相位差無關(guān)。A+B和A-B因此相位差90度，正如稍后將描述的，由于它簡(jiǎn)化了天線單元信號(hào)相位的計(jì)算，因此，這是方便的(但不是必需的)?；旌想娐?10到114因此充當(dāng)相位到功率轉(zhuǎn)換器，它們將振幅相等但相對(duì)相位差可變的輸入信號(hào)例如(a1.A/b1.B)轉(zhuǎn)換成功率可變但相位差恒定為90度的和與差輸出信號(hào)。另外，所有三個(gè)混合電路110到114的A+B輸出均彼此同相，并且與這些混合電路的所有三個(gè)A-B輸出呈90度。
混合電路110到114的A+B輸出分別連接到雙向分離器142c、142e和142g以及A-B輸出分別連接到雙向分離器142d、142f和142h。分離器142c到142h分別將其輸入信號(hào)分離成信號(hào)部分c1/c2、d1/d2、e1/e2、f1/f2、g1/g2和h1/h2這些部分還用作相應(yīng)分離器輸出端的參考標(biāo)記，并且用于輸入到第四到第九混合電路1444到1449的相應(yīng)對(duì)應(yīng)引用輸入端c1到h2。第四到第九混合電路1444到1449具有A和B輸入1與2及A+B與A-B和與差輸出“和”與“差”，并且具有與第一、第二和第三混合電路110到114相同的結(jié)構(gòu)和操作模式。下面的表1示出第四到第九混合電路1444到1449中的哪些輸入端接收哪些信號(hào)部分此處+/-標(biāo)記分別指示相加和/相減。
表1
分離器142c到142h將其輸入信號(hào)分離成適用于相加和相減以形成天線單元驅(qū)動(dòng)信號(hào)的信號(hào)部分，驅(qū)動(dòng)信號(hào)可隨跨天線148的天線單元位置而逐漸變化。下面的表2示出第四到第九混合電路1444到1449的哪些輸出“和”/“差”經(jīng)相應(yīng)的固定移相器146U1到144L6驅(qū)動(dòng)哪些天線單元148U1到148L6。天線148上半部的天線單元148U1到148U6全部由第四到第九混合電路1444到1449的和輸出“和”驅(qū)動(dòng)，但在下半部的天線單元由這些混合電路的差輸出“差”驅(qū)動(dòng)。第四到第九混合電路輸出端1444到1449中的每個(gè)接收始于第一到第三混合電路110到114的和或差輸出端的信號(hào)貢獻(xiàn)，而不是從兩種類型的輸出端均接收。其輸入信號(hào)因而彼此同相。第四到第九混合電路1444到1449因而充當(dāng)功率到相位轉(zhuǎn)換器每個(gè)將其兩個(gè)輸入信號(hào)(它們的相位差為零但是振幅不必相等)轉(zhuǎn)換成相位差在不同混合電路之間變化但功率恒定的和與差輸出信號(hào)(忽略任何振幅錐度的規(guī)定)。所示布置允許跨天線148實(shí)現(xiàn)行進(jìn)的相位波前，并允許有效地使用所有輸入功率。這忽略了由于在非理想組件中的功率耗散而引起的損失的可能性。排除此類損失后，配電網(wǎng)絡(luò)140不生成對(duì)天線驅(qū)動(dòng)信號(hào)無用的信號(hào)，因此，不必低效地處理一些輸入功率。
第四混合電路1444驅(qū)動(dòng)最外側(cè)的天線單元對(duì)148U6和148L6。第五到第九混合電路1445到1449分別驅(qū)動(dòng)天線單元對(duì)148U5/148L5、148U4/148L4、148U3/148L3、148U2/148L5和148U1/148L1，這些單元對(duì)逐漸更接近天線中心150，每對(duì)以它為中心。
下面的表2示出從混合電路1444到1449的輸出信號(hào)。分離器部分c1等必須是標(biāo)量，但例如(a1.A+b1.B)和(a3.A-b3.B)的在表2第4列括號(hào)中的項(xiàng)是矢量相加與相減。相位差如前面參照?qǐng)D3或圖4所述施加在Va與Vb之間，并且矢量由粗體字符指示。另外，如先前所述，幅度相等的信號(hào)之間的矢量相加(a1.A+b1.B)等的結(jié)果全部彼此同相，并且與所有矢量相減(a3.A-b3.B)等呈90度相位差。矢量相減因此全部自動(dòng)與矢量相加在相位上相差1/4周期。
表2
在表2的第4列中的表達(dá)式具有P+Q的形式，其中，Q是與矢量P在相位上相差1/4周期的矢量。所有P矢量彼此同相，并且所有Q矢量彼此同相。它們因此可寫為P+jQ，其中，P和Q是P與Q的標(biāo)量幅度。例如，對(duì)于天線單元148U6P＝c2.(a1.A+b1.B)and Q＝d2.(a3.A-b3.B)(1)用Pn和Qn表示提供到第n個(gè)上部和下部天線單元148Un和148Ln(n＝1到6)的電壓的同相和正交分量，此電壓的相位φn表示如下φn=tan-1(QnPn)...(2)]]>其中，Qn對(duì)于天線148上半部中的天線單元148Un為正，并且對(duì)于下半部中的天線單元148Ln為負(fù)。
第n個(gè)天線單元電壓的標(biāo)量幅度Vn表示如下Vn=(Pn2+Qn2)...(3)]]>在網(wǎng)絡(luò)140的此實(shí)施例中的分離器比率在下面的表3中示出。
表3
對(duì)從輸入端102a和102b到達(dá)天線單元148U1到148L6的信號(hào)的所有貢獻(xiàn)(例如c1.(a1.A+b1.B))經(jīng)相同數(shù)量和類型的組件傳遞即，每個(gè)貢獻(xiàn)經(jīng)包含三向分離器、混合電路、雙向分離器、另一混合電路和固定移相器的路徑傳遞。無需相位填充(phase padding)組件，即無需進(jìn)行校正以使不同路徑中相移不一致的附加組件。每個(gè)路徑中使用兩個(gè)分離器使分離比率適中由于如上所述，希望分離器比率不超過9.5dB，因此，這是有用的。
三向分離器106a和106b主要設(shè)置振幅錐度，并且雙向分離器142c到142h主要設(shè)置相位錐度此處“錐度”表示跨天線單元148U1到148L6的振幅或相位分布。通過重復(fù)功能方框，網(wǎng)絡(luò)140的設(shè)計(jì)是對(duì)稱的，并且便于進(jìn)行相對(duì)容易的優(yōu)化。通過更改分離器和混合電路的數(shù)量，它還可容易地適用于天線中不同數(shù)量的天線單元。顧及陣列140中天線單元的數(shù)量，它具有相對(duì)少的分離器。
圖8a是由網(wǎng)絡(luò)140為天線148上半部中的天線單元148U1到148U6產(chǎn)生的驅(qū)動(dòng)信號(hào)的矢量圖為方便起見，忽略了移相器146U1到146L6的影響。諸如160、162和164的水平、垂直和傾斜箭頭分別指示同相分量、正交分量和實(shí)際的天線單元信號(hào)矢量。諸如在166的帶圓圈的數(shù)字1到6指示相鄰的信號(hào)矢量分別與天線單元148U1到148U6相關(guān)聯(lián)。通過使每個(gè)垂直箭頭162從水平軸168向下延伸而不是向上延伸，即通過在水平軸168的映像(reflection)產(chǎn)生信號(hào)矢量164的相應(yīng)鏡像，可獲得用于天線148下半部中的天線單元148L1到148L6的驅(qū)動(dòng)信號(hào)的等效矢量(未示出)。圖8a示出網(wǎng)絡(luò)140產(chǎn)生具有跨天線148正確行進(jìn)的相位的天線單元驅(qū)動(dòng)信號(hào)。在選擇對(duì)應(yīng)于傾斜時(shí)最大可允許旁瓣電平的最大傾角時(shí)，獲得天線148的最佳性能。分離器比率隨后經(jīng)選擇來為此最大傾角給出線性相位波前。
圖8b是對(duì)應(yīng)于圖8a的完整矢量圖，但示出整個(gè)天線陣140的由諸如169的實(shí)線箭頭指示的天線單元驅(qū)動(dòng)信號(hào)矢量。
現(xiàn)在參照?qǐng)D9到圖12，圖9示出單個(gè)180度混合電路182的布置180，該電路接收具有兩個(gè)相等振幅電壓Va和Vb的A與B輸入，其間具有相對(duì)相移φ。通過在輸入端184利用單個(gè)電壓V、在186將它分離成兩個(gè)相等的電壓、并使結(jié)果電壓之一通過可變移相器188，獲得這些電壓?；旌想娐?82由輸入信號(hào)A與B生成和與差輸出信號(hào)A+B和A-B。
圖10是矢量+A、+B、-B、A+B和A-B的矢量圖，后兩個(gè)矢量為點(diǎn)劃線。由于A和B相等，+A、+B和-B可示出為圓200的半徑，圓200是矢量+A、+B和A+B組成的三角形的外接圓。矢量+B和-B相等且相反，一起提供圓200的直徑，并且根據(jù)幾何學(xué)，在該圓上的其它點(diǎn)如原點(diǎn)O，直徑對(duì)著直角。然而，矢量A+B和A-B將原點(diǎn)O連接到+B/-B直徑的相應(yīng)端，因此，矢量A+B和A-B在其之間具有直角(或90度相對(duì)相移)，而不考慮+A與+B之間的相位差值φ。
圖11示出A+B與A-B(點(diǎn)劃線)的相對(duì)幅度如何隨相對(duì)相位差φ從-180度調(diào)整到0再到+180度而變化A+B以正弦方式從0變到1再到0，并且A-B以余弦方式從1變到0再到1。圖12示出A+B和A-B(點(diǎn)劃線)的相位如何隨φ從-180度調(diào)整到0再到+180度而變化A+B從-90度變到+90度，并且A-B最初從在φ＝-180度的0變到在φ＝0的+90度，并隨后在通過0時(shí)迅速移到-90度并之后在φ＝+180度平滑地變化到0。
本發(fā)明提供如下的電傾斜控制。如上所述，圖6中每個(gè)天線單元148U1等的驅(qū)動(dòng)信號(hào)是可寫為P+jQ的矢量。當(dāng)輸入矢量A與B(或電壓Va與Vb)之間的相位差為零、即φ＝0時(shí)，如圖11所示，所有混合電路110等的差輸出A-B也為零。因此，在天線未傾斜時(shí)，所有天線單元148U1等的驅(qū)動(dòng)信號(hào)具有相同的相位，即“未傾斜”相位，并且在P+jQ中Q＝0。
在A與B矢量之間的相位差增加時(shí)，圖11示出混合電路的差輸出增大而和輸出減小。Q的值因此增大而P的值減小。因此，每個(gè)天線單元148U1等的驅(qū)動(dòng)信號(hào)的相位角更改。通過對(duì)逐漸越靠近中心線150的天線單元(例如148U1/148L1)為P采取逐漸越小的值，并且對(duì)逐漸越遠(yuǎn)離中心線150的天線單元(例如148U6/148L6)為P采取逐漸越大的值，實(shí)現(xiàn)跨天線單元逐漸增加的相位波前。因此將一部分天線驅(qū)動(dòng)功率從天線148的中心傳送到其末端。這通過適當(dāng)連接混合電路110到114的輸出而實(shí)現(xiàn)。
因此，在圖5中，第一、第二和第三混合電路的中心混合電路112將信號(hào)饋入在示出為虛線的天線中心與天線124末端單元124U3/124L3之間中間位置的天線單元124U2和124L2，而其它兩個(gè)最左側(cè)混合電路110和114，每個(gè)“互換”A-B差輸出，即連接到接收另一(114或110)混合電路的A+B輸出的第四或第六混合電路116或120。此布置將同相功率(P矢量分量)從中心移到天線124的末端，實(shí)現(xiàn)了行進(jìn)的相位波前。
圖11示出混合電路差輸出的相位根據(jù)矢量A與B之間的相位差為正或負(fù)而更改180度。這確保無論天線是向上或向下傾斜跨天線均存在行進(jìn)的相位波前。
描述的本發(fā)明實(shí)施例使用180度混合電路。它們可替換為例如90度“正交”混合電路并添加90度移相器以獲得相同的整體功能，但這不太實(shí)際。
在傳輸中的操作方面對(duì)參照?qǐng)D3到圖12所述的本發(fā)明的示例進(jìn)行了論述。然而，所有組件均是可逆的，并且那些示例還可作為接收器操作?；旌想娐泛鸵葡嗥魇强赡娴?，并且在接收時(shí)根據(jù)需要分離器反過來變?yōu)橹匦陆M合器。
權(quán)利要求
1.一種電傾斜可控、包括具有多個(gè)天線單元(124U1到124L3)的天線(124)的相控陣天線系統(tǒng)，其特征在于所述系統(tǒng)(40)具有a)用于提供兩個(gè)其間具有可變相對(duì)延遲的基本信號(hào)的部件(46)，b)用于將所述基本信號(hào)分割成信號(hào)分量的分離部件(106a、106b)，c)用于將所述信號(hào)分量轉(zhuǎn)換成變換的分量的相位到功率轉(zhuǎn)換部件(110到114)，所述變換的分量具有隨所述相對(duì)延遲變化而變化的功率，以及d)用于將所述變換的分量轉(zhuǎn)換成天線單元驅(qū)動(dòng)信號(hào)的功率到相位轉(zhuǎn)換部件(116到120)，所述驅(qū)動(dòng)信號(hào)具有在所述天線(124)電傾斜時(shí)跨所述天線(124)從一個(gè)天線單元(例如124U1)到另一天線單元(例如124U2)逐漸變化并且隨所述相對(duì)延遲變化而單獨(dú)變化的相位。
2.如權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)，其特征在于所述相位到功率轉(zhuǎn)換部件是多個(gè)用于提供信號(hào)分量對(duì)的和與差的混合射頻耦合裝置(“混合電路”)(110到114)，每對(duì)具有來自兩個(gè)基本信號(hào)的信號(hào)分量。
3.如權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)，其特征在于所述相位到功率轉(zhuǎn)換部件是多個(gè)用于提供信號(hào)分量對(duì)的和與差的180度混合電路(110到114)，每對(duì)具有來自兩個(gè)基本信號(hào)的信號(hào)分量。
4.如權(quán)利要求3所述的系統(tǒng)，其特征在于每對(duì)具有幅度相等的信號(hào)分量，但每對(duì)的分量幅度不等于另一對(duì)的分量幅度。
5.如權(quán)利要求3所述的系統(tǒng)，其特征在于所述混合電路是第一混合電路(110到114)，并且所述功率到相位轉(zhuǎn)換部件包括多個(gè)用于生成天線單元驅(qū)動(dòng)信號(hào)的第二混合電路(116到120)。
6.如權(quán)利要求5所述的系統(tǒng)，其特征在于所述分離部件是第一分離部件(106a、106b)，并且所述功率到相位轉(zhuǎn)換部件(116到120)包括用于將所述和與差分割成分量以輸入到所述第二混合電路(1444到1449)的第二分離部件(142c到142h)。
7.如權(quán)利要求6所述的系統(tǒng)，其特征在于所述第一分離部件(106a、106b)用于將每個(gè)所述基本信號(hào)分割成三個(gè)信號(hào)分量。
8.如權(quán)利要求6所述的系統(tǒng)，其特征在于所述第二分離部件是多個(gè)雙向分離器(142c到142h)。
9.如權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)，其特征在于安排它使得從基本信號(hào)供應(yīng)延伸到天線單元的所有路徑包含相同數(shù)量和類型的分量。
10.一種控制包括具有多個(gè)天線單元(124U1到124L3)的天線(124)的相控陣天線系統(tǒng)(40)電傾斜的方法，其特征在于所述方法包括以下步驟a)提供兩個(gè)其間具有可變相對(duì)延遲的基本信號(hào)，b)將所述基本信號(hào)分離成信號(hào)分量，c)將所述信號(hào)分量轉(zhuǎn)換成變換的分量，所述變換的分量具有隨所述相對(duì)延遲變化而變化的功率，以及d)將所述變換的分量轉(zhuǎn)換成天線單元驅(qū)動(dòng)信號(hào)，所述驅(qū)動(dòng)信號(hào)具有在所述天線(124)電傾斜時(shí)跨所述天線(124)從一個(gè)天線單元(例如124U1)到另一天線單元(例如124U2)逐漸變化并且隨所述相對(duì)延遲變化而單獨(dú)變化的相位。
11.如權(quán)利要求10所述的方法，其特征在于使用多個(gè)用于提供信號(hào)分量對(duì)的和與差的混合電路(110到114)實(shí)施步驟c)，每對(duì)具有來自兩個(gè)基本信號(hào)的信號(hào)分量。
12.如權(quán)利要求10所述的方法，其特征在于使用多個(gè)用于提供信號(hào)分量對(duì)的和與差的180度混合電路(110到114)實(shí)施步驟c)，每對(duì)具有來自兩個(gè)基本信號(hào)的信號(hào)分量。
13.如權(quán)利要求12所述的方法，其特征在于每對(duì)具有幅度相等的信號(hào)分量，但每對(duì)的分量幅度不等于另一對(duì)的分量幅度。
14.如權(quán)利要求12所述的方法，其特征在于所述混合電路是第一混合電路，并且使用多個(gè)用于生成所述天線單元驅(qū)動(dòng)信號(hào)的第二混合電路(116到120)實(shí)施步驟d)。
15.如權(quán)利要求14所述的方法，其特征在于步驟b)中的分離是第一分離，并且在步驟d)中實(shí)施第二分離來將所述和與差分割成分量以輸入到所述第二混合電路(116到120)。
16.如權(quán)利要求15所述的方法，其特征在于所述第一分離將每個(gè)所述基本信號(hào)分割成三個(gè)信號(hào)分量。
17.如權(quán)利要求15所述的方法，其特征在于所述第二分離是多個(gè)雙向分離。
18.如權(quán)利要求10所述的方法，其特征在于從基本信號(hào)供應(yīng)延伸到天線單元(124U1到124L3)的所有路徑包含相同數(shù)量和類型的分量。
全文摘要
一種電傾斜可控的相控陣天線系統(tǒng)生成兩個(gè)其間具有可變相對(duì)延遲的信號(hào)V2a和V2b。這些信號(hào)由配電網(wǎng)絡(luò)(100)轉(zhuǎn)換成天線單元驅(qū)動(dòng)信號(hào)。網(wǎng)絡(luò)(100)將這兩個(gè)信號(hào)V2a和V2b中的每個(gè)信號(hào)分離成三個(gè)信號(hào)分量。不同信號(hào)的分量對(duì)輸入相應(yīng)的(180)混合耦合裝置(混合電路)(110、112和114)，這些裝置提供其輸入的矢量和與差，并充當(dāng)相位到功率轉(zhuǎn)換器。其輸出在另外的(180)混合電路(116、118和120)之間分配，這些混合電路充當(dāng)功率到相位轉(zhuǎn)換器并提供相位隨單元陣位置并且還隨這兩個(gè)信號(hào)V2a和V2b之間的可變相對(duì)延遲而變化的天線單元驅(qū)動(dòng)信號(hào)。因此，通過改變單個(gè)相對(duì)延遲，天線電傾斜是可控的。
文檔編號(hào)H04B7/10GK1879254SQ200480032853
公開日2006年12月13日 申請(qǐng)日期2004年10月29日 優(yōu)先權(quán)日2003年11月7日
發(fā)明者L·D·托馬斯, P·E·哈斯克爾 申請(qǐng)人:昆特爾科技有限公司