專利名稱：連續(xù)可調(diào)移相器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種天線部件，具體的說是一種連續(xù)可調(diào)移相器。該連續(xù)可調(diào)移相器特別適用于波束掃描，且對副瓣形狀進行改變的陣列天線。
背景技術(shù)：
眾所周知，移相器是改變陣列天線波束掃描的關(guān)鍵部件?，F(xiàn)有天線陣中所使用的各種結(jié)構(gòu)的移相器均存在不同程度的缺陷。例如，圖7所示的中國專利96193925.7，是由三個單元組成的天線陣。該天線陣的移相器是由介質(zhì)微帶板16，介質(zhì)滑動板17，金屬底板18構(gòu)成。介質(zhì)微帶板16上刻有微帶線19和分支線20。當(dāng)介質(zhì)滑動板17沿A向移動時，與輻射體c連接的微帶曲線段內(nèi)的信號傳輸速率被減小，與輻射體a連接的微帶曲線段內(nèi)的信號傳輸速率被增加。造成a相位超前，c相位滯后，各自相對于中間的輻射單元b的相位差分別是+β，-β，以此實現(xiàn)波束掃描。這種相位器存在有如下三方面的不足(1)假設(shè)介質(zhì)滑動板的有效介電常數(shù)εr≥1，設(shè)空氣中的波長為λ0，要獲得1，2的輸出相位變化分別為+β，-β，介質(zhì)滑塊要移動的距離S為s=β•λ02Π(ϵr-1)]]>，必須要求有高效介電常數(shù)的材料，才能實現(xiàn)有限的移動距離內(nèi)獲得一定的移相量β，而這種材料的價格是非常昂貴的。
(2)介質(zhì)所到之處會帶來傳輸線特性阻抗的變化，對應(yīng)的關(guān)系基本可用公式Zg=Z0ϵr+12]]>來近似地描述；其中Z0為介質(zhì)滑片未到之前的微帶傳輸線的特性阻抗，Zg為介質(zhì)滑片滑到后的微帶線特性阻抗。不難看出εr越大，介質(zhì)片對特性阻抗的影響就越大，使饋線網(wǎng)絡(luò)中阻抗失配就越嚴重，自然會帶來反射的增大和電壓駐波比的急劇變壞；(3)隨著εr的增大，介質(zhì)片帶來的插入損耗也迅速增大，而高εr低插入損耗的介質(zhì)是很難得到的，而且價格極其昂貴。如果使用低εr的材料，要得到相同的相移，介質(zhì)塊滑動的距離s就很大，必然會造成整個移相器的體積增大，這對于天線內(nèi)部極其有限的空間又是一個難題，而且即便是εr較小，還是不可避免地有特性阻抗的變化，造成駐波變壞。雖然該技術(shù)又采用了在介質(zhì)滑片兩端各加一個梯形變換段來解決這一問題，但由于這種梯形變換段的長度最短為 λg，所以整個移相器的尺寸又要增長 λg。可見這種移相器在減小體積，降低損耗，避免失配，降低成本等幾個方面均存在著很大的弊端。
圖8.2給出了申請?zhí)枮?4193994.4的另一可變差分移相器。該技術(shù)是由兩個相互垂直的同軸線構(gòu)成，其中同軸線21的外導(dǎo)體的側(cè)臂開有一長條縫隙22(圖中未畫出)，同軸線23的內(nèi)導(dǎo)體24從縫隙22中穿過，與套在同軸線21的內(nèi)導(dǎo)體上的可動滑套26連接。同軸線23的外導(dǎo)體25與套在同軸線21的外導(dǎo)體上的可動滑套26連接，通過內(nèi)外滑套將同軸線21的能量耦合到同軸線23上，也可以將同軸線23的能量耦合到同軸線21上。通過改變內(nèi)外滑套的位置，可以改變同軸線21的兩端口的輸出信號的傳輸路徑，實現(xiàn)改變相位的目的。該技術(shù)的缺點是(1)在需要較大移相量時，同軸線21的開口縫隙22勢必要很長，而同軸線的外導(dǎo)體的縫隙泄露電磁能量是很大的，如果采用加長可動滑套26的長度，則該長度至少是縫隙長度的2倍；(2)同軸線21的縫隙22處所缺的外導(dǎo)體是由滑套26來替代的，由于滑套26的內(nèi)徑比同軸線21的外導(dǎo)體內(nèi)徑大，造成縫隙所在處同軸線21的特性阻抗比沒有縫隙處的特性阻抗大，所以阻抗不匹配；(3)該技術(shù)的阻抗變換段是由 λg同軸線23構(gòu)成，由于 λg是與頻率f0緊有關(guān)，當(dāng)頻率變化時，同軸線23的長度將不再是 λg，因此，阻抗變換段就不能很好地實現(xiàn)阻抗變換的功能，存在阻抗帶寬較窄的不足；(4)由于該技術(shù)采用同軸線“T”形分支，同軸線23無法再分開為多路，所以它要給多單元天線陣饋電時，必須采用多個移相器串并聯(lián)級聯(lián)的方式，必然造成多個移相器的插入損耗串聯(lián)迭加的現(xiàn)象；(5)由于該技術(shù)所用的內(nèi)外滑套26、24不等長，必然導(dǎo)致內(nèi)外套耦合電流不平衡，就會在同軸線21的外導(dǎo)體外壁上引起電流，導(dǎo)致能量損失。
(6)用一個移相器不能實現(xiàn)對多輻射單元移相饋電，例如，要對四個輻射單元移相饋電，必須要三個移相器串并聯(lián)組合(如圖8.1所示)，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，使用不便。
發(fā)明的內(nèi)容本發(fā)明的目的是克服上述已有技術(shù)的不足，提供一種插入損耗低，移相范圍大，阻抗匹配好的連續(xù)可調(diào)移相器，以實現(xiàn)同時給多個輻射單元組成的天線陣饋電。
實現(xiàn)本發(fā)明目的技術(shù)關(guān)鍵是采用了兼有任意分配功率功能的饋電網(wǎng)絡(luò)，構(gòu)成一端輸入信號多端輸出信號的多端移相器。整個移相器包括滑動機構(gòu)、耦合網(wǎng)絡(luò)、匹配網(wǎng)絡(luò)三大部分，通過控制滑動機構(gòu)連續(xù)移動的路徑長度，控制輸出信號分量的相位差。其中，滑動機構(gòu)是由上下兩層金屬滑片3構(gòu)成一個空氣微帶傳輸線；耦合網(wǎng)絡(luò)由介質(zhì)夾塊6支撐上下對稱的兩片金屬片8構(gòu)成平行傳輸線，固定在金屬滑片3的外部；匹配網(wǎng)絡(luò)采用漸變曲折線結(jié)構(gòu)組成微帶傳輸線板4，并與金屬片8相連接；微帶傳輸線板4將輸入的射頻信號T0分解為至少兩路，分別傳送給天線陣的各輻射單元。
上述移相器中的微帶傳輸線板4，其微帶線由一條寬度不等的主饋曲折線10和多條寬度不等的分支饋曲折線構(gòu)成，各段曲折線的長度均為半個波長，以實現(xiàn)良好的阻抗匹配。
上述的移相器的微帶傳輸線板4，其微帶線中的主饋曲折線10在經(jīng)過半個波長后，分開為兩條傳輸線分支11和12，該兩條分支線在叉口處采用不等寬線獲得不等功率分配，將輸入的射頻信號T0分解為T1和T2兩路，其中一路T1通過耦合片8耦合到金屬滑片3的兩端T3和T4，傳送給兩個輻射單元，另一路T2直接與同軸線連接傳送給又一輻射單元。T3，T4輸出信號的相位相對于輸入信號T0的相位可連續(xù)變化，而T2輸出信號的相位相對于輸入信號T0有不變的相位差，組成三元天線陣列。
上述移相器，若將金屬滑片3的兩端輸出T3和T4與微帶傳輸線板4輸出的T2三個端口，分別通過同軸線15連接到兩兩并接的輻射單元14上，可組成六元天線陣列。
上述移相器的金屬滑板3組件設(shè)為A、B兩套，微帶傳輸線板4的兩端分別與兩金屬滑板3組件連接。微帶傳輸線板4中的主饋曲折線10分開為三條分支傳輸線11、12、13，將輸入的射頻信號T0分解為T1、T2、T5三路，其中T1和T5分別通過A、B金屬滑板移相，輸出為T3、T4、T6、T7四路相位變化的信號分別到各輻射單元，T2輸出相位不變的信號直接到另一輻射單元，組成五元天線陣列；若將輻射單元兩兩并接，再分別通過同軸線15與該五路輸出信號連接，可組成十元天線陣列。
上述移相器的耦合片8與滑片3平行的邊長最佳參數(shù)為 λ0，微帶傳輸線各段曲折線的長度均為半個波長，滑片3構(gòu)成的傳輸線的特性阻抗為Z0，耦合片8構(gòu)成的傳輸線的特性阻抗為 ，其他輸出端口T1、T5的特性阻抗為 ，通過微帶曲折線阻抗變換，使輸入口T0的特性阻抗等于其輸入阻抗為Z0，再與特性阻抗為Z0的同軸線連接，實現(xiàn)阻抗匹配。
本發(fā)明由于上下滑片構(gòu)成一個空氣微帶傳輸線，因而插入損耗遠比介質(zhì)滑塊小，移相范圍大；同時由于本發(fā)明采用微帶板傳輸線的結(jié)構(gòu)，可將一個輸入信號分解為多路輸出，故可實現(xiàn)用一個移相器為多個輻射單元饋電移相和任意進行功率分配及阻抗匹配，提高天線陣增益。實測表明，本發(fā)明的頻帶范圍為800MHz～3GHz，移相范圍靈活可變，通過改變滑片3的長度實現(xiàn)不同的移相范圍，以獲得不同范圍的波束掃描角度，而且對天線的增益影響很小，如圖5所示。在波束從0度掃描到13度的過程中，天線的增益G變化小于0.5dB，有很好地下副瓣提升，上副瓣抑制的效果和明顯的下副瓣的“零值”填充效果。具有可減小蜂窩內(nèi)盲區(qū)面積，改善通信質(zhì)量，匹配性能好，生產(chǎn)成本低的優(yōu)點，特別適合于批量的工業(yè)生產(chǎn)。


圖1為本發(fā)明使用兩條分支微帶傳輸線板的結(jié)構(gòu)2為本發(fā)明使用三條分支微帶傳輸線扳的結(jié)構(gòu)3為本發(fā)明將圖1用于含有六個輻射單元的波束掃描天線陣實例4為本發(fā)明將圖2用于含有十個輻射單元的波束掃描天線陣實例5為圖3所示的六元天線陣的實測方向6為圖4所示的十元天線陣的實測方向7(a)為背景技術(shù)“T”形移相器結(jié)構(gòu)7(b)為背景技術(shù)的移相器串并聯(lián)組合，組成的四元天線陣示意8為背景技術(shù)中由三單元組成的天線陣
具體實施例方式參見圖1，本發(fā)明的連續(xù)可調(diào)移相器1主要由滑片3，傳輸線板4，耦合片8組成。滑片3由上下兩片組成，兩端通過介質(zhì)卡塊7支撐固定，構(gòu)成特性阻抗為Z0的上下兩條平行線傳輸線，在下滑片3(或上滑板3)兩端固定有輸出端子T3，T4，用以與Z0的同軸線連接。耦合片8是由上下兩片組成的“中”字型結(jié)構(gòu)，采用1mm厚銅板制成，該兩片耦合片8與介質(zhì)片2由一對介質(zhì)夾塊6支撐，并通過介質(zhì)銷釘9鎖定，平行固定在上下滑板3的外部，構(gòu)成特性阻抗為 的平行線傳輸線，且邊長最好為 λg。介質(zhì)銷釘9從介質(zhì)卡塊6中插入，將上下耦合片8和上下介質(zhì)片2固定在一起。介質(zhì)片2采用厚度為0.5mm的聚四氟乙烯片，位于耦合片8與滑板3之間，以減小耦合片8與滑片3之間的摩擦，和滑動過程中因偶合片8與滑板3的間隙的微小變化帶來的耦合阻抗的變化。傳輸線板4的外部固定有屏蔽盒5，插接在上下耦合片8的一端。傳輸線板4采用微帶結(jié)構(gòu)，該微帶傳輸線由不等寬曲折主饋線10和不等寬曲折分饋線11、12組成。不等寬曲折線10最好使用漸變微帶線結(jié)構(gòu)，長度為 λg。輸入信號由T0輸入，傳給主饋線10，由分饋線11、12輸出信號，即主饋線10在經(jīng)過 λg長度之后分開為兩條傳輸線分支11、12，在叉口處采用不等寬線即不等輸入阻抗并聯(lián)，獲得不等功率分配。功率分配后將分支線12的輸出信號T1通過耦合片8，容性地耦合到上下滑片3上，通過金屬滑片3的兩端T3和T4輸出兩個相位變化的信號分別連接到兩個輻射單元，另一路11通過同軸線端口T2直接和與另一輻射單元相連，組成三元天線陣列。微帶傳輸線各段曲折線的長度均為半個波長，輸出端口T1的特性阻抗為 ，T2的特性阻抗為Z0。通過微帶曲折線，將阻抗變換，使輸入口T0的特性阻抗(等于輸入阻抗)為Z0，再與特性阻抗為Z0的同軸線連接，實現(xiàn)整個移相器饋電網(wǎng)絡(luò)的良好匹配。
參照圖2，本發(fā)明是由兩塊滑片3組件A、B與微帶傳輸線板4組成的多端口輸出移相器。微帶傳輸線板4的兩端分別與滑片3組件A、B相連接，其中傳輸線板4采用三條不等寬的曲折分支線11、12、13，構(gòu)成。輸入的射頻信號T0經(jīng)過主饋線10分解為T1、T5、T2三路輸出，其中T1和T5分別通過A、B金屬滑板移相，輸出為T3、T4、T6、T7四路相位變化的信號分別送到各輻射單元，T2輸出的無相位變化信號直接與另一輻射單元連接，組成五元天線陣列。
圖3中，14表示輻射單元，15表示同軸線，虛線框內(nèi)示意圖表示圖1所示的移相器構(gòu)件1，該移相器1的三個輸出口功率不相等。將輻射單元14兩兩并接，分別連接到移相器構(gòu)件1的T2、T3、T4三個輸出端可組成含有六個輻射單元的天線陣。這種連接是一種比較“經(jīng)濟”實用的使用本移相器的方法，在波束掃描小于13度的情況下，這種移相器基本可以做到天線增益變化小于0.5dB。無須多個級連，減小了因移相器串聯(lián)數(shù)目的增多帶來的插入損耗的增大。
圖4中，14表示輻射單元，15表示同軸線，虛線框內(nèi)示意圖表示圖2所示的移相器構(gòu)件，該移相器的五個輸出口功率不相等。將輻射單元14兩兩并接，分別連接到移相器構(gòu)件的T2、T3、T4、T6、T7五個輸出端，可組成含有十個輻射單元的天線陣。這種連接也是一種比較“經(jīng)濟”實用的使用本移相器的方法，可以做到波束掃描10度，而增益變化小于0.5dB。
上述傳輸線板4的微帶結(jié)構(gòu)也可由一條寬度不等的曲折線10構(gòu)成，10的輸出端為T1，與耦合片8連接，將能量偶合到滑片3上，用同軸線將滑片三兩端輸出口T3，T4與兩個輻射單元相連，以用于對增益要求不高的天線陣進行移相。
圖5表明，本實用新型利用GSM900基站天線按圖3組成的天線陣，其測試頻率為中心頻率915MHz，在波束從0度掃描到13度的過程中，天線的增益G變化小于0.5dB，而且有很好地下副瓣提升，上副瓣抑制的效果，還有很明顯的下副瓣的“零值”填充效果，這對減小蜂窩內(nèi)盲區(qū)面積，改善通信質(zhì)量，減小基站間干擾是非常有效的，特別適合于網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化。
圖6表明，本實用新型利用GSM900基站天線按圖4組成的天線陣，其測試頻率為中心頻率915MHz，這種結(jié)構(gòu)實現(xiàn)的天線陣的增益很高，達到18dBi以上，水平波束寬度為65度，在波束從0度掃描到10度的過程中，天線的增益G變化小于0.5dB，而且在部份角度時有很好地下副瓣提升，上副瓣抑制的效果。
本發(fā)明并不限于上述給出的實施方案，本領(lǐng)域技術(shù)人員在本發(fā)明的構(gòu)思下，可作出不同的變形。
權(quán)利要求
1.一種連續(xù)可調(diào)移相器，包括滑動機構(gòu)，耦合網(wǎng)絡(luò)和匹配網(wǎng)絡(luò)，通過控制滑動機構(gòu)連續(xù)移動的路徑，控制輸出信號分量的相位差，其特征在于滑動機構(gòu)是由上下兩層金屬滑片(3)構(gòu)成一個空氣微帶傳輸線；耦合網(wǎng)絡(luò)由介質(zhì)夾塊(6)支撐上下對稱的兩片金屬片(8)構(gòu)成平行傳輸線，固定在金屬滑片(3)的外部；匹配網(wǎng)絡(luò)采用漸變曲折線結(jié)構(gòu)組成微帶傳輸線板(4)，并與金屬片(8)相連接，微帶傳輸線板(4)將輸入的射頻信號T0分解為至少兩路的輸出信號T1、T2，分別傳送給各輻射單元組成天線陣。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的移相器，其特征在于傳輸線板(4)的微帶線由一條寬度不等的主饋曲折線(10)和至少兩條寬度不等的分支饋曲折線構(gòu)成，各段曲折線的長度均為半個波長，以實現(xiàn)功率匹配。
3.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的移相器，其特征在于微帶傳輸線板(4)中的主饋曲折線(10)經(jīng)過半個波長后，分開為兩條傳輸線分支(11)和(12)，該兩條分支線在叉口處采用不等寬線獲得功率分配，將輸入的射頻信號T0分解為T1和T2兩路，一路T1通過耦合片(8)耦合到金屬滑片(3)的兩端T3和T4，輸出相位相對于輸入信號T0可連續(xù)地變化的信號，并分別傳送給兩個輻射單元，另一路T2直接與同軸線連接，輸出相位不變的信號給另一輻射單元，組成三元天線陣列。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的移相器，其特征在于將金屬滑片(3)的兩端輸出T3、T4與微帶傳輸線板(4)輸出的T2三個端口，分別通過同軸線(15)連接到兩兩并接的輻射單元(14)上，組成六元天線陣列。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的移相器，其特征在于金屬滑片(3)組件設(shè)為A、B兩套，分別與微帶傳輸線板(4)兩端相連；微帶傳輸線板(4)中的主饋曲折線(10)分開為三條分支曲折傳輸線(11)、(12)、(13)，將輸入的射頻信號T0分解為T1、T2、T5三路，T1和T5分別通過A、B金屬滑板移相，輸出為T3、T4、T6、T7四路相位可變的信號，分別連接到各輻射單元，T2輸出相位不變的信號直接與另一輻射單元連接，組成五元天線陣列；若將輻射單元(14)兩兩并接，再分別通過同軸線(15)與該五路輸出信號連接，可組成十元天線陣列。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的移相器，其特征在于耦合片(8)與滑片(3)平行的邊長最佳參數(shù)為 λg，微帶傳輸線各段曲折線的長度均為半個波長，滑片(3)構(gòu)成的傳輸線的特性阻抗為Z0，耦合片(8)構(gòu)成的傳輸線的特性阻抗為 ，另一輸出端口T1、T5的特性阻抗為 ，通過微帶曲折線阻抗變換，使輸入口T0的輸入阻抗等于其特性阻抗為Z0，再與特性阻抗為Z0的同軸線連接。
全文摘要
本發(fā)明提供了一種連續(xù)可調(diào)的移相器，用于調(diào)節(jié)天線陣的輻射波束方向。該移相器包括介質(zhì)片2，滑片3，耦合片8，傳輸線板4，其中，滑片3是由上下兩條構(gòu)成空氣微帶傳輸線；耦合片8由上下對稱的兩片金屬片與介質(zhì)片2構(gòu)成平行傳輸線，并通過介質(zhì)夾塊6支撐固定在滑板3的外部；傳輸線板4采用漸變曲折線微帶結(jié)構(gòu)與金屬片8相連接，傳輸線板4將輸入的射頻信號T
文檔編號H01Q3/30GK1392628SQ0213933
公開日2003年1月22日 申請日期2002年8月7日 優(yōu)先權(quán)日2002年8月7日
發(fā)明者謝華治 申請人:西安海天天線科技股份有限公司