Делитель мощности с фазовращателем для антенны базовой станции

Полезная модель относится к технике сотовой связи и предназначена для деления/суммирования СВЧ-сигналов внутри антенны базовой станции.
При установке и эксплуатации антенн базовой станции зачастую требуется изменение положения луча антенны в вертикальной плоскости. Это может быть сделано при помощи механического наклона корпуса антенны базовой станции, однако более удобно и технологично осуществлять изменение положения луча электронно-механическим способом, не прибегая к повороту корпуса антенны. Электронно-механическая перестройка положения луча осуществляется при помощи введения определенных фазовых сдвигов в сигналы, приходящие на соответствующие элементы фазированной антенной решетки, на основе которой построены антенны базовых станций. Указанные фазовые сдвиги могут быть введены при помощи фазовращателей, однако на практике зачастую используют делитель мощности, объединенный с фазовращателем, который одновременно имеет возможность вводить необходимые фазовые сдвиги.
Известен делитель мощности с фазовращателем [Multi-line phase shifter for vertical beam tilt-controlled antenna, EP2430700, опубл. 13.11.2013], управление фазовыми сдвигами в котором осуществляется при помощи перемещения изгибов микрополосковых линий. Делитель включает в себя неподвижную пластину, на которой находятся линии передачи, а также включает в себя подвижную пластину, которая устанавливается с возможностью продольного скольжения в положении, где она контактирует с поверхностью неподвижной пластины. Недостатком данного технического решения является отсутствие надежности конструкции так как одни перемещающиеся металлические части трутся об другие.
Известен также делитель мощности [Method for operating a phase-controlled group antenna and a phase shifter assembly and an associated phase-controlled group antenna, EP2406851, опубл. 03.07.2013], содержащий концентрические относительно центральной точки, расположенные полукругом проводящие дорожки в форме полосовых секций, а также отводной элемент с бесконтактными переходами на проводящие дорожки и с возможностью вращения вокруг центра. Недостатком указанного решения является узкая полоса рабочих частот. Данное устройство выбрано в качестве прототипа.
Задачей, на решение которой направлена предлагаемая полезная модель, является расширение рабочей полосы частот в соответствии с требованиями стандарта 5G.
Данная задача решается за счет достижения технического результата, заключающегося в расширении полосы согласования реализуемых СВЧ-переходов.
Указанный технический результат достигается тем, что делитель мощности с фазовращателем для антенны базовой станции, содержащий концентрические относительно центральной точки, расположенные дугообразно проводящие дорожки в форме полосовых секций с четным числом излучателей, а также отводной элемент с бесконтактными переходами на проводящие дорожки и с возможностью вращения вокруг центра, отличается тем, что количество проводящих дорожек в форме полосовых секций равно четырем и выполнены они двухпроводными на внутренней стороне печатной платы, а отводной элемент выполнен на внешней стороне второй печатной платы, примыкающей вплотную к внутренней стороне первой, причем толщина второй печатной платы в три раза меньше толщины первой, и снабжен четырьмя параллельными дугообразным проводящим дорожкам ветвями с шириной примерно 1/10 ширины отдаленных от центра проводников двухпроводных проводящих дорожек и с возможностью движения вдоль них, для чего в центре вращения отводного элемента установлен вращающийся контакт, концы ветвей оснащены прямоугольными изгибами, на окончаниях которых закреплены металлические пластины, расположенные над ближайшими к центру проводниками двухпроводных проводящих дорожек.
Вращающийся контакт выполнен в виде двух соприкасающихся концентрических металлических колец, расположенных на внутренних соприкасающихся сторонах печатных плат, и содержит соосные металлизированные отверстия с креплением для прижима печатных плат друг к другу и надежности контакта соприкасающихся концентрических металлических колец.
Сущность полезной модели поясняется фигурами.
На Фиг.1 изображены основные элементы устройства.
На Фиг.2 изображена внешняя сторона печатной платы со входом и выходами устройства.
На Фиг.3 показана часть основного элемента изменения фаз выходных сигналов.
На Фиг.4 показана зависимость ширины другой части основного элемента изменения фаз выходных сигналов от продольной координаты.
Фиг.5 иллюстрирует зависимость коэффициента стоячей волны по напряжению (КСВН) на входе устройства от частоты.
Устройство состоит из четырех расположенных дугообразно проводящих дорожек 1, выполненных в виде двухпроводных линий на печатной плате (см. Фиг.1) с образованием щели между проводниками шириной 2 мм. Отводной элемент 2, содержащий четыре ветви 3, с параллельными дугообразным проводящим дорожкам участками, выполнен на внешней стороне второй печатной платы, примыкающей вплотную к первой внутренней стороной. Ширина ветвей 3 составляет примерно 1/10 ширины отдаленных от центра проводников двухпроводных проводящих дорожек.  Толщина второй печатной платы в три раза меньше толщины первой печатной платы. Концы каждой из ветвей 3 оснащены прямоугольными изгибами, на окончаниях которых закреплены металлические пластины 4. На концах щелевых промежутков между линиями проводящих дорожек находятся широкополосные СВЧ-переходы 5, представляющие собой отверстия с примыкающими к ним металлическими пластинками с внешней стороны первой печатной платы (Фиг.2).  На концах широкополосных СВЧ-переходов 5 установлены СВЧ-разъемы 6. Дугообразные проводящие дорожки 1 имеют общий центр, в котором установлен вращающийся контакт 7, являющийся центром вращения отводного элемента 2. Вращающийся контакт 7 соединен со входным СВЧ-разъемом 8 микрополосковой линией 9.
Вращающийся контакт 7 выполнен в виде двух соприкасающихся концентрических металлических колец 10 и 11. Кольцо 10 расположено на внутренней стороне первой печатной платы, а кольцо 11 – на внутренней стороне второй печатной платы. В центральных областях колец 10 и 11 содержатся соосные металлизированные отверстия со вставленным креплением, например винтом и гайкой, для прижима печатных плат друг к другу и надежности контакта соприкасающихся колец 10 и 11.
Устройство работает следующим образом. Через входной СВЧ-разъем 8 по микрополосковой линии 9 сигнал поступает на вращающийся контакт 7. Благодаря плотному соприкосновению колец 10 и 11 сигнал переходит с первой печатной платы на отводной элемент 2, делится на его ветвях 3 и поступает на металлические пластины 4 на второй печатной плате. Расположение пластин 4 над ближайшими к центру проводниками двухпроводных проводящих дорожек 1 обеспечивает широкополосные переходы на щелевые промежутки между линиями проводящих дорожек и СВЧ-переходы 5 и тем самым, к выходным СВЧ-разъемам 6. Работа устройства налагает требования на длины СВЧ-кабелей, связывающих устройство с антенной решеткой (в устройство не входят), а именно электрические длины СВЧ-кабелей должны обеспечивать синфазность выходных сигналов при нахождении металлических пластин 4 в центральных областях проводящих дорожек 1. Наклон луча антенны осуществляется вращением отводного элемента 2, но пределы его вращения должны быть ограничены исключением совмещения пластин 4 с СВЧ-переходами 5.
Отводной элемент 2 с его ветвями 3 состоит из нескольких микрополосковых линий с различным волновым сопротивлением. Полосок, подключенный к вращающемуся контакту 7, до места ответвления представляет собой оптимизированный трансформатор волновых сопротивлений. В месте подключения к вращающемуся контакту 7 трансформатор имеет волновое сопротивление 50 Ом (соответствующее применяемому в СВЧ-технике). В связи с тем, что отводной элемент делится на четыре ветви и необходимостью сохранения величины волнового сопротивления 50 Ом на пластинах 4, волновое сопротивление трансформатора в месте разветвления должно составлять 12,5 Ом. Из этого условия в результате компьютерного моделирования получена зависимость ширины трансформатора W от продольной координаты L, показанная на Фиг.4. Видно, что указанная зависимость представляет собой кусочно-линейную функцию с угловыми коэффициентами в промежутках
от 0 мм до 215 мм – ~0,016,
от 215 мм до 286 мм – ~0,028,
от 286 мм до 360 мм – ~0,032,
от 360 мм до 430 мм – ~0,047.
Таким образом, выполнение четырех проводящих дорожек 1 двухпроводными и разветвление отводного элемента 2 на четыре ветви 3, оснащенных прямоугольными изгибами с размещенными на их концах металлическими пластинами 4, обеспечивает надежность широкополосного перехода. Введение двух соприкасающихся концентрических металлических колец 10 и 11 в состав вращающегося контакта 7 обеспечивает его надежность и возможность многократного вращения (длительного использования). Как видно из Фиг.5, в рабочей полосе частот 617…960 МГц КСВН не превышает значение 1,4.
Основные размеры предлагаемого устройства: длина ~ 600 мм, ширина составляет порядка ~ 450 мм.