專(zhuān)利名稱(chēng)：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(shuō)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(duì)副瓣形狀進(jìn)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(guó)專(zhuān)利96193925.7，是由三個(gè)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(dòng)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(dòng)板17沿A向移動(dòng)時(shí)，與輻射體c連接的微帶曲線段內(nèi)的信號(hào)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(hào)傳輸速率被增加。造成a相位超前，c相位滯后，各自相對(duì)于中間的輻射單元b的相位差分別是+β，-β，以此實(shí)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(dòng)板的有效介電常數(shù)εr≥1，設(shè)空氣中的波長(zhǎng)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(dòng)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(shí)現(xiàn)有限的移動(dòng)距離內(nèi)獲得一定的移相量β，而這種材料的價(jià)格是非常昂貴的。
(2)介質(zhì)所到之處會(huì)帶來(lái)傳輸線特性阻抗的變化，對(duì)應(yīng)的關(guān)系基本可用公式Zg=Z0ϵr+12]]>來(lái)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(duì)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(yán)重，自然會(huì)帶來(lái)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(lái)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(jià)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(dòng)的距離s就很大，必然會(huì)造成整個(gè)移相器的體積增大，這對(duì)于天線內(nèi)部極其有限的空間又是一個(gè)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(gè)梯形變換段來(lái)解決這一問(wèn)題，但由于這種梯形變換段的長(zhǎng)度最短為 λg，所以整個(gè)移相器的尺寸又要增長(zhǎng) λg。可見(jiàn)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(gè)方面均存在著很大的弊端。
圖8.2給出了申請(qǐng)?zhí)枮?4193994.4的另一可變差分移相器。該技術(shù)是由兩個(gè)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(kāi)有一長(zhǎng)條縫隙22(圖中未畫(huà)出)，同軸線23的內(nèi)導(dǎo)體24從縫隙22中穿過(guò)，與套在同軸線21的內(nèi)導(dǎo)體上的可動(dòng)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(dòng)滑套26連接，通過(guò)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(guò)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(hào)的傳輸路徑，實(shí)現(xiàn)改變相位的目的。該技術(shù)的缺點(diǎn)是(1)在需要較大移相量時(shí)，同軸線21的開(kāi)口縫隙22勢(shì)必要很長(zhǎng)，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(zhǎng)可動(dòng)滑套26的長(zhǎng)度，則該長(zhǎng)度至少是縫隙長(zhǎng)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(lái)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(méi)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(shí)，同軸線23的長(zhǎng)度將不再是 λg，因此，阻抗變換段就不能很好地實(shí)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(wú)法再分開(kāi)為多路，所以它要給多單元天線陣饋電時(shí)，必須采用多個(gè)移相器串并聯(lián)級(jí)聯(lián)的方式，必然造成多個(gè)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(zhǎng)，必然導(dǎo)致內(nèi)外套耦合電流不平衡，就會(huì)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(gè)移相器不能實(shí)現(xiàn)對(duì)多輻射單元移相饋電，例如，要對(duì)四個(gè)輻射單元移相饋電，必須要三個(gè)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(shí)現(xiàn)同時(shí)給多個(gè)輻射單元組成的天線陣饋電。
實(shí)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(hào)多端輸出信號(hào)的多端移相器。整個(gè)移相器包括滑動(dòng)機(jī)構(gòu)、耦合網(wǎng)絡(luò)、匹配網(wǎng)絡(luò)三大部分，通過(guò)控制滑動(dòng)機(jī)構(gòu)連續(xù)移動(dòng)的路徑長(zhǎng)度，控制輸出信號(hào)分量的相位差。其中，滑動(dòng)機(jī)構(gòu)是由上下兩層金屬滑片3構(gòu)成一個(gè)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(duì)稱(chēng)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(hào)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(zhǎng)度均為半個(gè)波長(zhǎng)，以實(shí)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(guò)半個(gè)波長(zhǎng)后，分開(kāi)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(hào)T0分解為T(mén)1和T2兩路，其中一路T1通過(guò)耦合片8耦合到金屬滑片3的兩端T3和T4，傳送給兩個(gè)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(hào)的相位相對(duì)于輸入信號(hào)T0的相位可連續(xù)變化，而T2輸出信號(hào)的相位相對(duì)于輸入信號(hào)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(gè)端口，分別通過(guò)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(kāi)為三條分支傳輸線11、12、13，將輸入的射頻信號(hào)T0分解為T(mén)1、T2、T5三路，其中T1和T5分別通過(guò)A、B金屬滑板移相，輸出為T(mén)3、T4、T6、T7四路相位變化的信號(hào)分別到各輻射單元，T2輸出相位不變的信號(hào)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(guò)同軸線15與該五路輸出信號(hào)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(zhǎng)最佳參數(shù)為 λ0，微帶傳輸線各段曲折線的長(zhǎng)度均為半個(gè)波長(zhǎng)，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(guò)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(shí)現(xiàn)阻抗匹配。
本發(fā)明由于上下滑片構(gòu)成一個(gè)空氣微帶傳輸線，因而插入損耗遠(yuǎn)比介質(zhì)滑塊小，移相范圍大；同時(shí)由于本發(fā)明采用微帶板傳輸線的結(jié)構(gòu)，可將一個(gè)輸入信號(hào)分解為多路輸出，故可實(shí)現(xiàn)用一個(gè)移相器為多個(gè)輻射單元饋電移相和任意進(jìn)行功率分配及阻抗匹配，提高天線陣增益。實(shí)測(cè)表明，本發(fā)明的頻帶范圍為800MHz～3GHz，移相范圍靈活可變，通過(guò)改變滑片3的長(zhǎng)度實(shí)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(duì)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(guò)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(diǎn)，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(gè)輻射單元的波束掃描天線陣實(shí)例4為本發(fā)明將圖2用于含有十個(gè)輻射單元的波束掃描天線陣實(shí)例5為圖3所示的六元天線陣的實(shí)測(cè)方向6為圖4所示的十元天線陣的實(shí)測(cè)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(shí)施例方式參見(jiàn)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?；?由上下兩片組成，兩端通過(guò)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(duì)介質(zhì)夾塊6支撐，并通過(guò)介質(zhì)銷(xiāo)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(zhǎng)最好為 λg。介質(zhì)銷(xiāo)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(dòng)過(guò)程中因偶合片8與滑板3的間隙的微小變化帶來(lái)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(zhǎng)度為 λg。輸入信號(hào)由T0輸入，傳給主饋線10，由分饋線11、12輸出信號(hào)，即主饋線10在經(jīng)過(guò) λg長(zhǎng)度之后分開(kāi)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(hào)T1通過(guò)耦合片8，容性地耦合到上下滑片3上，通過(guò)金屬滑片3的兩端T3和T4輸出兩個(gè)相位變化的信號(hào)分別連接到兩個(gè)輻射單元，另一路11通過(guò)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(zhǎng)度均為半個(gè)波長(zhǎng)，輸出端口T1的特性阻抗為 ，T2的特性阻抗為Z0。通過(guò)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(shí)現(xiàn)整個(gè)移相器饋電網(wǎng)絡(luò)的良好匹配。
參照?qǐng)D2，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(hào)T0經(jīng)過(guò)主饋線10分解為T(mén)1、T5、T2三路輸出，其中T1和T5分別通過(guò)A、B金屬滑板移相，輸出為T(mén)3、T4、T6、T7四路相位變化的信號(hào)分別送到各輻射單元，T2輸出的無(wú)相位變化信號(hào)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(gè)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(gè)輸出端可組成含有六個(gè)輻射單元的天線陣。這種連接是一種比較“經(jīng)濟(jì)”實(shí)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(wú)須多個(gè)級(jí)連，減小了因移相器串聯(lián)數(shù)目的增多帶來(lái)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(gè)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(gè)輸出端，可組成含有十個(gè)輻射單元的天線陣。這種連接也是一種比較“經(jīng)濟(jì)”實(shí)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T(mén)1，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(gè)輻射單元相連，以用于對(duì)增益要求不高的天線陣進(jìn)行移相。
圖5表明，本實(shí)用新型利用GSM900基站天線按圖3組成的天線陣，其測(cè)試頻率為中心頻率915MHz，在波束從0度掃描到13度的過(guò)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(duì)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(shí)用新型利用GSM900基站天線按圖4組成的天線陣，其測(cè)試頻率為中心頻率915MHz，這種結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)的天線陣的增益很高，達(dá)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(guò)程中，天線的增益G變化小于0.5dB，而且在部份角度時(shí)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(shí)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(dòng)機(jī)構(gòu)，耦合網(wǎng)絡(luò)和匹配網(wǎng)絡(luò)，通過(guò)控制滑動(dòng)機(jī)構(gòu)連續(xù)移動(dòng)的路徑，控制輸出信號(hào)分量的相位差，其特征在于滑動(dòng)機(jī)構(gòu)是由上下兩層金屬滑片(3)構(gòu)成一個(gè)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(duì)稱(chēng)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(hào)T0分解為至少兩路的輸出信號(hào)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(zhǎng)度均為半個(gè)波長(zhǎng)，以實(shí)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(guò)半個(gè)波長(zhǎng)后，分開(kāi)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(hào)T0分解為T(mén)1和T2兩路，一路T1通過(guò)耦合片(8)耦合到金屬滑片(3)的兩端T3和T4，輸出相位相對(duì)于輸入信號(hào)T0可連續(xù)地變化的信號(hào)，并分別傳送給兩個(gè)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(hào)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(gè)端口，分別通過(guò)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(kāi)為三條分支曲折傳輸線(11)、(12)、(13)，將輸入的射頻信號(hào)T0分解為T(mén)1、T2、T5三路，T1和T5分別通過(guò)A、B金屬滑板移相，輸出為T(mén)3、T4、T6、T7四路相位可變的信號(hào)，分別連接到各輻射單元，T2輸出相位不變的信號(hào)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(guò)同軸線(15)與該五路輸出信號(hào)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(zhǎng)最佳參數(shù)為 λg，微帶傳輸線各段曲折線的長(zhǎng)度均為半個(gè)波長(zhǎng)，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(guò)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(duì)稱(chēng)的兩片金屬片與介質(zhì)片2構(gòu)成平行傳輸線，并通過(guò)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(hào)T
文檔編號(hào)H01Q3/30GK1392628SQ0213933
公開(kāi)日2003年1月22日 申請(qǐng)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(qǐng)人:西安海天天線科技股份有限公司