專利名稱：延遲元件和相應(yīng)方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及用在，例如，電信系統(tǒng)中的延遲元件。
背景技術(shù)：
除了其它技術(shù)以外，用于生產(chǎn)用在例如電信系統(tǒng)的信號處理中的延遲元件的傳統(tǒng) 技術(shù)包括介電擾動微帶延遲線。因此，通過移動介電或金屬"擾動器"獲得的電磁場的擾動 是在技術(shù)文獻(xiàn)中討論的多種多樣延遲器件的基本主要根本操作。 例如，Tae—Yeoul Yim禾口 Kai Chang的"A Low—loss Time—DelayPhase Shifter Controlled by Piezoelectric Transducer to PerturbMicrostrip Line，， (IEEE MICROWAVE AND GUIDED WAVELETTERS, VOL. 10， NO. 3， MARCH 2000， pag. 96-98)描述了工作 在范圍從10GHz到40GHz的超寬頻帶中的延時移相器。在那篇文章中描述的移相器由在微 帶線上方移動介電擾動器的壓電換能器來控制。據(jù)報(bào)道，取得了相對于未擾動情況460°的 最大相移，以及在直到40GHz時，小于2dB的插入損耗增加和小于4dB的總損耗。
在Tae-Yeoul Y皿禾口 Kai Chang的"Analysis and Optimization ofa Phase Shifter Controlled by Piezoelectric Transducer" (IEEET廳SACTIONS ON MICROWAVE THEORY ANDTECHNIQUES， VOL. 50， NO. 1， JANUARY 2002， pag. 105-111)中描述了基本相似的 裝置。具體地說，此文檔公開了一種用于分析和優(yōu)化由壓電換能器控制的延時移相器的方 法。 在Sang-Gyu Kim、 Tae-Yeoul Y皿禾口 Kai Chang的"Time-DelayPhase Shifter Controlled by Piezoelectric Transducer on CoplanarWaveguide"(IEEE MICROWAVE AND WIRELESS COMPONENTSLETTERS, VOL. 13， NO. 1， JANUARY 2003， pag. 19-20)中描述了同樣的 基本裝置的另一種發(fā)展。具體地說，該文檔描述了一種由在共面波導(dǎo)上實(shí)現(xiàn)的壓電換能器 控制的延時移相器。由引起由導(dǎo)線引入的相移的變化的擾動器的運(yùn)動來改變共面波導(dǎo)的有 效介電常數(shù)、傳播常數(shù)等。 W. T. Joines的"A Continuously Variable Dielectric PhaseShifter，，(WILLIAM T. JOINES， IEEE TRANSACTIONS 0NMICR0WAVE THEORY AND TECHNIQUES, AUGUST 1971， pp. 729-732)描述了通過改變信號通過其進(jìn)行傳播的媒體的介電常數(shù)來產(chǎn)生隨頻率變化的 線性可變相移的帶狀線移相器。所涉及的移相器包括位于兩個平行圓板之間的半圓形帶狀 線，每個平行圓板由兩種不同的介電材料制成。兩個板滑動接觸地圍繞帶狀線的中心穩(wěn)固 旋轉(zhuǎn)，使帶狀線周圍的材料的介電常數(shù)發(fā)生變化。 文檔W0-A-2004/086730描述了涉及非均勻介電常數(shù)轉(zhuǎn)盤的使用的裝置。該文檔 公開了一種在電信系統(tǒng)中使用的用于在蜂窩式基站中發(fā)射分集的相位掃描設(shè)備中的旋轉(zhuǎn) 差分調(diào)相器。該調(diào)相器包括通過旋轉(zhuǎn)介電半盤來周期地裝載的多個微帶。該盤的轉(zhuǎn)速可以 是3000到6000RPM的數(shù)量級。相位掃描所需的波形通過將該盤和導(dǎo)線的圖案做成適當(dāng)?shù)?形狀來實(shí)現(xiàn)。例如在US 6， 504， 450中描述了一種有些類似的裝置，US6， 504， 450公開了一種能夠移動N個輸入信號的相位的設(shè)備，它包括介電構(gòu)件，處在與該構(gòu)件相對的位置上的一定 數(shù)量的傳輸線，以及用于使該介電構(gòu)件繞與傳輸線的平面垂直的軸旋轉(zhuǎn)的機(jī)構(gòu)。該介電構(gòu) 件包括具有不同介電常數(shù)的兩個部分。當(dāng)每個信號穿過相應(yīng)的傳輸線時，該信號具有通過 旋轉(zhuǎn)該介電構(gòu)件而移動的相位。 用于生產(chǎn)可變延遲元件(通常用于射頻和微波區(qū)域)的可替代解決方案包括基于 各種技術(shù)的時間可變延遲線。 這些時間可變延遲線包括，例如，通過機(jī)電開關(guān)來連接/分開具有不同長度的延 遲線的機(jī)電開關(guān)延遲線。在這種情況下，得到其精度與開關(guān)數(shù)量相對應(yīng)的器件。
其它已知裝置包括二極管開關(guān)延遲線，S卩，通過基于半導(dǎo)體二極管的電子開關(guān)來 連接/分開的具有不同長度的延遲線和變?nèi)荻O管移相器/延遲線；在后一種情況下，傳輸 線通過被稱為變?nèi)荻O管的可變電容組件來裝載。 另一類已知裝置是在10GHz的范圍內(nèi)對高功率、低損耗的應(yīng)用有效的旋轉(zhuǎn)場鐵氧 體器件。

發(fā)明內(nèi)容
申請人:已經(jīng)觀察到不可避免地妨礙以完全滿意的方式采用上文討論的現(xiàn)有裝置 之一的可能性的許多不足。 例如，上文考慮的幾種裝置無法在回波損耗、功率損耗、相移、延遲和功率管理能 力方面提供令人滿意的結(jié)果。此外，延遲隨驅(qū)動信號變化的特性近似為指數(shù)(即，在致動 器運(yùn)動時生成明顯的高頻分量)，因此，遠(yuǎn)遠(yuǎn)不是如在大多數(shù)應(yīng)用中所期望的線性或者近線 性。 另外，上文討論的大多數(shù)現(xiàn)有裝置使用壓電致動器("彎曲器")來移動擾動器。 盡管對于靜態(tài)操作是有用的，但對于連續(xù)操作以及一般地，在對致動器的機(jī)械應(yīng)力是機(jī)電 器件的限制參數(shù)的那些操作情形下來說，這樣的致動器不足夠可靠。每當(dāng)運(yùn)動部件經(jīng)受強(qiáng) 加速時，就會引起強(qiáng)烈限制致動器的使用壽命和可靠性的機(jī)械應(yīng)力。機(jī)械應(yīng)力還取決于運(yùn) 動部件，諸如擾動器的質(zhì)量(重量)。尤其，當(dāng)工作頻率、運(yùn)動部件的質(zhì)量、和/或擾動器偏 移之一增大時，和/或當(dāng)在偏移期間速度突然發(fā)生改變時，機(jī)械應(yīng)力會增大。盡管頻率是由 所想到的特定應(yīng)用確定的，但器件設(shè)計(jì)應(yīng)該在減小偏移以及運(yùn)動部件的尺度和重量，并且 在瞬時偏移的頻譜中避免高頻分量的同時，使插入延時最大化。 在將轉(zhuǎn)盤用作擾動器的那些裝置中，任意瞬時延遲函數(shù)Adiff(t)是根本難以獲得 的事實(shí)上，這需要改變擾動器盤的轉(zhuǎn)速，因此需要將很強(qiáng)的應(yīng)力施加在盤的電動機(jī)上。在 任何情況下，就尺寸而言，電動機(jī)的存在都對該裝置不利，尤其當(dāng)微帶處于同一襯底上時。
使用機(jī)械開關(guān)的技術(shù)的主要缺點(diǎn)是低可靠性(局限于幾百萬個開關(guān)事件)和低 速；這兩個方面限制了開關(guān)在連續(xù)和快速應(yīng)用中的使用。用作開關(guān)的半導(dǎo)體二極管呈現(xiàn)高 可靠性和開關(guān)速度，但有損耗，并且只支持有限的RF功率，這限制了它們應(yīng)用于低功率可 變延遲的領(lǐng)域。變?nèi)荻O管類似地表現(xiàn)出高RF損耗和低功率管理；另外，它們不是線性組 件。旋轉(zhuǎn)場鐵氧體器件基于在幾GHz的范圍內(nèi)損耗極大的鐵氧體材料，因此在那個頻率范 圍內(nèi)使用基于鐵氧體的器件極不可行。
因此，申請人解決了這樣的問題提供消除上文概述的缺點(diǎn)中的至少一些缺點(diǎn)的改進(jìn)裝置，該裝置是延遲元件，其最好-在回波損耗、功率損耗、延遲和功率管理能力方面提供令人滿意的結(jié)果，8卩，即使
在幾GHz以及以下，也不呈現(xiàn)高的RF損耗，并且能夠支持高電平的RF功率； _對于快速、連續(xù)的操作是完全可靠的，在開關(guān)事件方面實(shí)際上沒有限制；-不依賴于復(fù)雜、靈敏和/或體積大的裝置，諸如帶有相關(guān)驅(qū)動電動機(jī)的轉(zhuǎn)盤；禾口-在延遲隨擾動器位移/驅(qū)動信號變化方面呈現(xiàn)基本線性的特性。
申請人:發(fā)現(xiàn)，這個問題可以通過具有權(quán)利要求1中所述的特征的延遲元件來解
決。本發(fā)明的有利發(fā)展形成從屬權(quán)利要求的主題。本發(fā)明還涉及相應(yīng)的方法。 這些權(quán)利要求形成本文提供的發(fā)明的公開文本的組成部分。 簡言之，本文所述的裝置的優(yōu)選實(shí)施例是一種延遲元件，其包括 第一微帶電路，用于定義第一信號從第一輸入端口到第一輸出端口的第一延遲行
進(jìn)路徑，和第二微帶電路，用于定義第二信號從第二輸入端口到第二輸出端口的第二延遲
行進(jìn)路徑，所述第一微帶電路和第二微帶電路以面對面的關(guān)系并排排列；禾口 擾動器元件，被設(shè)置在所述第一微帶電路和第二微帶電路之間，所述擾動器可朝
著和背離所述第一微帶電路和第二微帶電路位移，從而，當(dāng)所述擾動器與所述第一微帶電
路和第二微帶電路之一的距離增大時，所述擾動器與所述第一微帶電路和第二微帶電路中
的另一個的距離減小，反之亦然；所述擾動器在所述第一微帶電路和第二微帶電路之間的
位置定義所述第一信號在所述第一延遲行進(jìn)路徑中行進(jìn)所經(jīng)歷的時間與所述第二信號在
所述第二延遲行進(jìn)路徑中行進(jìn)所經(jīng)歷的時間之間的差值。通常，將致動器配備成使擾動器
在第一和第二微帶電路之間移動。 通過提供第二微帶電路，這樣的裝置成為使擾動器交替地與一個微帶電路接近而 遠(yuǎn)離另一個微帶電路的可調(diào)差分延遲線。其結(jié)果是，擾動器交替地加速一個微帶電路中的 電磁信號，同時減速另一個微帶電路中的電磁信號，因此，相對于單襯底配置，提高了擾動 效應(yīng)。與單襯底配置相比，本文所述的裝置導(dǎo)致微帶設(shè)計(jì)的復(fù)雜度降低和擾動器所需的位 移減小。這又導(dǎo)致對線性致動器的要求較小，所述線性致動器迄今為止代表著在這種器件 的實(shí)際實(shí)現(xiàn)上的主要技術(shù)限制。此外，通過明智地選擇幾何和電磁參數(shù)，本文所述的延遲元 件可以在其延遲隨擾動器的擾動器位移變化特性的線性(或準(zhǔn)線性)區(qū)中工作，從而使器 件得到簡化控制。 優(yōu)選地，該器件包括在引入大約ldB或更小的范圍內(nèi)的非常有限的插入損耗的同 時，能夠支持高RF功率信號(例如，具有幾十上百瓦的數(shù)量級或更大的數(shù)量級)以及低功 率電磁信號的微帶。這些微帶可以是，例如，金屬微帶或介電波導(dǎo)。該器件可以用在電信系 統(tǒng)中，通常，用在涉及需要管理非常高的RF功率電平的傳輸路徑中。
本文所述的裝置具有許多優(yōu)點(diǎn)。 例如，本文所述的裝置在相同的機(jī)械應(yīng)力條件下(即，使用經(jīng)受相同偏移的尺寸 和質(zhì)量相等的擾動器)生成的(差分)延遲是在傳統(tǒng)解決方案中所生成的延遲的兩倍以 上；另外，與對于傳統(tǒng)解決方案來說，延遲特性近似為指數(shù)(即，一點(diǎn)也不線性)相比，本文 所述的裝置的延遲特性是近線性的；最后，如果考慮獲取相同的瞬時延遲函數(shù)所需的擾動 器位移，那么本文所述的裝置的位移隨時間變化的頻譜曲線與傳統(tǒng)的解決方案相比，包含 較不顯著的高頻分量。


現(xiàn)在參照附圖，只通過例子描述本發(fā)明，在附圖中 圖1是如本文所述的延遲元件的示意性總體表示； 圖2是代表圖1的延遲元件的操作的一組圖形； 圖3是如本文所述的延遲元件的可能實(shí)施例的示意性表示； 圖4詳細(xì)描繪了圖3的延遲元件的一些特征； 圖5和6是代表圖3、4的延遲元件的工作特性的圖形；禾口 圖7示范了包括如本文所述的延遲元件的電信設(shè)備。
具體實(shí)施例方式
在附圖中，附圖標(biāo)記10整體表示適合于操作例如射頻(RF)和微波(麗)范圍內(nèi)的 電磁信號的延遲元件。 元件10是差分可調(diào)延遲線(DTDL)，即，具有兩個輸入端口 (INI和IN2)和兩個輸 出端口 (0UT1和0UT2)的四端口器件。輸入端口 INI與輸出端口 0UT1相連接，輸入端口 IN2與輸出端口 0UT2相連接。 在操作時，兩個輸入電磁信號(例如，圖7中的PI和P2)饋入器件10的兩個輸入 端口 INI和IN2中，從兩個輸出端口 0UT1和0UT2出來。如圖2所示，元件/器件10將第 一時變延時t 1作用于通過IN1輸入并從0UT1輸出的電磁信號，將第二時變延時t2作用 于通過IN2輸入并從0UT2輸出的電磁信號。 作為穿過延遲器件10的結(jié)果，從0UT1和0UT2輸出的電磁信號相對于輸入到IN1 和IN2中的電磁信號呈現(xiàn)差分延時A t = t 1- t 2，如圖2所示。延遲器件10引入的差分 延時A t可以保持固定，或隨時間而變并受控，如下文中更好地描述的那樣。
器件10具有圖3中例示的結(jié)構(gòu)，它包括在兩個介電襯底12a、14a上實(shí)現(xiàn)的兩個微 帶電路12、14，諸如例如金屬微帶。 第一微帶電路12具有與IN1和0UT1相對應(yīng)的輸入端口和輸出端口 ；第二微帶電 路14具有與IN2和0UT2相對應(yīng)的輸入端口和輸出端口。兩個襯底12a、14a相距幾毫米 或更少地彼此平行地并排排列，兩條微帶12b、14b面對面，在它們之間限定了將兩個襯底 12a、14a分開的空間區(qū)域。 呈介電材料、金屬材料、或不同介電和金屬材料層的板或桿形式的擾動器18被設(shè) 置在兩個襯底之間的空間區(qū)域中。因此，擾動器以這樣的方式"夾"在兩個微帶電路12、14 之間，使得擾動器18的兩相對平面表面與襯底12a、14a的表面平行，面向設(shè)置在襯底上的 微帶12b、14b。 線性致動器20支承著擾動器18 (例如，在擾動器板/桿的兩端)，具有在圖3右側(cè) 的雙向箭頭的方向上，即，沿著與擾動器的平面表面垂直的方向位移擾動器18的能力。致 動器20可以是，例如，音圈致動器。 如此產(chǎn)生的運(yùn)動基本上呈相對于處在微帶電路12、14中間的中心位置受控交替 位移的形式。因此，當(dāng)擾動器18與第一微帶12之間的距離減小(在圖3和4中，擾動器18 向上運(yùn)動)時，擾動器18與第二微帶14之間的距離增大了相同的量。相反，當(dāng)擾動器18與第一微帶12之間的距離增大(在圖3和4中，擾動器18向下運(yùn)動)時，擾動器18與第 二微帶14之間的距離減少了相同的量。 上微帶電路12包括具有介電常數(shù)e ri和厚度&的介電襯底。下微帶電路14包 括具有介電常數(shù)e rt和厚度H2的介電襯底。襯底12a、14a的兩外側(cè)被金屬化成接地平面 (圖中未示出)，而在面對面的內(nèi)側(cè)，以這樣的方式實(shí)現(xiàn)兩微帶12b、14b :當(dāng)兩個電磁信號饋 入兩條微帶時，將電磁場限制在兩個接地平面之間的區(qū)域內(nèi)。尤其，將電磁場的相關(guān)部分限 制在兩微帶之間的空間區(qū)域內(nèi)。 擾動器18是包括一種或多種介電材料、金屬、或金屬和介電材料的組合的板。擾 動器18被設(shè)置在兩個襯底之間的空間區(qū)域中，以便擾動在其間隙的空間區(qū)域中傳播的電 磁場。擾動器18具有厚度TpCTt，當(dāng)將介電材料用在擾動器18中時，這些介電材料相對于兩 個襯底的介電常數(shù)具有高的介電常數(shù)(epCTt>> eri， 、2)。 兩個襯底12a、14a處在固定位置上。最好，兩微帶線12b、14b被彼此平行地設(shè)置 在增加了小空隙的對應(yīng)于擾動器的厚度(TpCTt)的距離上，以便使致動器20能夠沿著與電路 的平面垂直的軸朝著電路12、14和背離電路12、14地位移擾動器18。 可以首先參照包括實(shí)現(xiàn)在介電襯底上的單個微帶電路(例如，僅有在襯底12a上 的微帶電路12)和擾動器18的簡化裝置，說明器件10的主要基本操作。
這樣的系統(tǒng)是雙端口器件(IN1-0UT1)，可以針對其有效介電常數(shù)，從電磁信號從 輸入端口 IN1行進(jìn)到輸出端口 0UT1所需的時間(即，延遲時間)是該系統(tǒng)的有效介電常數(shù) 的函數(shù)的意義上來描述。通過相隔一定距離地放置介電板(即，擾動器18)，電磁場分布受 到擾動，從而可以通過有效介電常數(shù)的不同值來描述系統(tǒng)。當(dāng)將擾動器放置在接近局部化 電磁場的襯底的區(qū)域中時，擾動效應(yīng)更加明顯。通過致動器移動擾動器，器件變成可以通過 控制襯底和擾動器之間的距離來改變延遲時間的可調(diào)延遲線例如，如果減小距離，則電磁 信號減速且延遲時間增加；反之，如果增大距離，則電磁信號加速且延遲時間縮短。
通過提供第二微帶(即，襯底14a上的微帶電路14，其輸入和輸出端為IN2和 0UT2)，該裝置變成可調(diào)差分延遲線，其中，設(shè)置在兩襯底12a、14a之間的間隙16中的擾動 器18的位移使擾動器變得交替地與微帶電路12、14中的一個較接近，也就是說，較遠(yuǎn)離微 帶電路12、14中的另一個。其結(jié)果是，擾動器加速一個微帶電路中的電磁信號，同時，減速 另 一個微帶電路中的電磁信號，反之亦然。 再次參照呈簡單雙端口器件形式的簡化裝置(具有與在具有介電常數(shù)、和厚度 Hs的介電襯底上實(shí)現(xiàn)的寬度為Wm的單條微帶的兩端相對應(yīng)的輸入端口和輸出端口 )，可以 通過如下給出的有效介電常數(shù)、ff來描述該器件 在"^ >> 1的情況下，e eff趨向于^L^ ，這是兩種媒體，即，襯底和空氣的介電常
數(shù)的均值(平均值)。 電磁信號從微帶的輸入端口行進(jìn)到輸出端口所需的時間由下式給出
;+lf,-1
<formula>formula see original document page 9</formula> 其中，L是導(dǎo)線的長度，c是自由空間中的光速，e eff是傳播媒體的有效介電常數(shù)。
如果現(xiàn)在考慮包括實(shí)現(xiàn)在介電常數(shù)為e s的襯底上的微帶的器件，那么，通過相 隔距離Da平行于襯底放置的介電常數(shù)為e p的介電板，可以獲得單條微帶的有效介電常數(shù) e rff的擾動。 在這種情況下，有效介電常數(shù)無法用解析公式來表達(dá)，但可以通過數(shù)值方法來計(jì) 算(參見，例如，在本說明書的背景技術(shù)部分中引用的Tae-Yeoul Yun和Kai Chang的文 章〃 A Low-loss Time-DelayPhase Shifter Controlled by Piezoelectric Transducer to PerturbMicrostrip Line",IEEE MICROWAVE AND GUIDED WAVELETTERS，VOL. 10， NO.3， MARCH 2000， pag. 96-98)。 尤其，有效介電常數(shù)取決于材料的介電常數(shù)和組成元件的幾何形狀。
在這樣的雙端口器件中，如果考慮相繼與襯底相隔兩個距離和d2放置的擾動 器，這些距離分別對應(yīng)于有效介電常數(shù)、m和、 2，在擾動器的這兩個位置電磁信號從具 有長度Lm的微帶的輸入端口行進(jìn)到輸出端口的時間差可以根據(jù)上面的公式(1)表達(dá)成 <formula>formula see original document page 9</formula> 可以通過考慮兩種極限配置來理解器件的幾何形狀如何影響有效介電常數(shù)e rff 和延時A t 。 如果距離Da趨向于無窮大，S卩，幾何形狀和前面介紹的簡單微帶的幾何形狀相同， 那么，、ff將接近于襯底和空氣的介電常數(shù)的均值。 相反，如果距離Da趨向于零，那么，e rff將基本接近于襯底和擾動器的介電常數(shù)的 均值。 因?yàn)椋话阏f來，介電常數(shù)ep> l，所以，通過逐漸減小Da，將增強(qiáng)擾動效應(yīng)，并且 使有效介電常數(shù)單調(diào)增大。此外，％越大，擾動效應(yīng)越強(qiáng)。 圖1-4中描繪的裝置是四端口差分可調(diào)延遲線"差分"是因?yàn)殛P(guān)鍵參數(shù)A idiff =Tr^是電磁信號從微帶12的輸入端口INl行進(jìn)到輸出端口0UTl所需的時間、與 電磁信號從微帶14的輸入端口 IN2行進(jìn)到輸出端口0UT2所需的時間^之間的差值；"可 調(diào)"是因?yàn)榭梢酝ㄟ^改變擾動器18的位置來調(diào)整A t diff的值。 —般說來，在圖1-4中描繪的裝置中，與在"上"微帶12中行進(jìn)的電磁信號相關(guān)聯(lián) 的電磁場和與在"下"微帶14中行進(jìn)的電磁信號相關(guān)聯(lián)的電磁場相耦合。因此，可以利用 有效介電常數(shù)、ff來描述整個系統(tǒng)，所述有效介電常數(shù)、ff同樣不能被解析地表達(dá)，但可 以通過數(shù)值方法來計(jì)算。 在擾動器具有高介電常數(shù)的情況下，或在擾動器包含金屬層的情況下，可以將系 統(tǒng)較近似地分析為包括兩個獨(dú)立部分前一部分包括"上"襯底12a、相關(guān)微帶12b和擾動 器18，用有效介電常數(shù)e rffl來描述；后一部分包括"下"襯底14a、相關(guān)微帶14b和擾動器 18，用有效介電常數(shù)、 2來描述。 這些部分中的每一個可以如上文說明的那樣來分析。 因此，在延遲元件10中，對于擾動器18的給定位置，端口 0UT1、 0UT2之間的延遲由下式給出 r樣 由于擾動器18的位置影響兩條微帶的e d，所以可以通過改變擾動器的位置來 調(diào)整A t diff 。 如果再次考慮擾動器18處在兩個不同的位置1和2上，那么，輸出端口 0UT1和 0UT2之間的差分延時的差值由下式給出 =，1(\& -;/^)' --&)21==魯f一 (V^"l ]+[(V^)2 _ (V^l ]} 器件10是四端口器件；一般說來，四端口器件用散射參數(shù)的術(shù)語&來描述，其中，
標(biāo)號i， j = 1，2，3，4標(biāo)記端口號(INI = 1 ;0UT1 = 2 ;IN2 = 3 ;0UT2 = 4)。 在本文所述的裝置的情況下，將主要的散射參數(shù)列在下面，它們分別代表 lS,l:端口 1上的回波損耗，S卩，信號在端口 l(INl)上反射的比例； lA;l:端口 3上的回波損耗，S卩，信號在端口 3(IN2)上反射的比例； f&l:當(dāng)電磁信號從輸入端口 l(INl)行進(jìn)到輸出端口 2(0UT1)時，輸入信號從輸出
端口出來的比例；禾口 I夂3 |:當(dāng)電磁信號從輸入端口 3 (IN2)行進(jìn)到輸出端口 4 (0UT2)時，輸入信號從輸出 端口出來的比例。 所涉及的參數(shù)考慮了金屬和電介質(zhì)中由于失配、輻射和耗散而損耗的信號量，必 須使之達(dá)到最小。 Arg(^)^的相位，代表電磁信號從輸入端口 1 (IN1)行進(jìn)到輸出端口 2 (0UT1)的 相位變化；禾口 Arg(^):&的相位，代表電磁信號從輸入端口 3(IN2)行進(jìn)到輸出端口 4(0UT2)的 相位變化。 這兩個參數(shù)按照如下公式、相關(guān)時間t 、相位變化A①和電磁信號的頻率f ，給出 關(guān)于信號從輸入端口行進(jìn)到輸出端口所需的時間的定量信息，從輸入端口行進(jìn)到輸出端口 即從端口 l(皿)行進(jìn)到端口 2(0UT1)和從端口 3(IN2)行進(jìn)到端口 4(0UT2):
△o <formula>formula see original document page 10</formula> 因此，在器件10中，在擾動器18的某個位置中，端口 0UT1和0UT2之間的差分延 時由下式給出 4(V^-V^"):^(^d)"^43)) 然后，考慮處在兩個不同位置1和2上的擾動器，端口 0UT1和0UT2之間的差分延 時的差值由下式給出
、-r郇=;["^21)-j^543)),如癥,H我))J 所考慮的兩個其它散射參數(shù)列在下面 l&卜當(dāng)電磁信號從輸入端口 l(INl)行進(jìn)到輸出端口 2(0UT1)時，輸入信號從輸出 端口 4(0UT2)出來的比例；禾口 lA丄當(dāng)電磁信號從輸入端口 3(IN2)行進(jìn)到輸出端口 4(0UT2)時，輸入信號從輸出 端口 2(0UT1)出來的比例。 ^和A，是耦合參數(shù)，g卩，代表兩條微帶之間不可避免的相互作用，最好使之達(dá)到最 小。 本文所述的器件10的顯著特征在于，它是對稱器件；這意味著可以交換輸入端口 和輸出端口，以便，例如，信號可以饋入到被稱為0UT1(0UT2)的端口中和從端口 IN1(IN2) 出來，而保持器件的所有功能性和性能特征。以數(shù)學(xué)術(shù)語表述，這意味著
HK H&《器件的對稱性暗示著S, (d)-^3(-d)、&, (d)=&3 (-d)和&,(d)=&3 (-d)，從而可以只考慮 圖4僅通過例子(因此，無意限制本發(fā)明的范圍的效果)詳細(xì)描繪了本文所述的 裝置的實(shí)施例，該實(shí)施例被發(fā)現(xiàn)特別有效，因此當(dāng)前優(yōu)選的。 在這個優(yōu)選實(shí)施例中，微帶電路12、14和擾動器18都呈長度L = 4cm的板的形式。
兩個介電襯底12a、14a由(相對)介電常數(shù)為6. 15、厚度H為1.9mm、表面為 40X40mm2的Rogers RT Duroid 3006構(gòu)成。兩個微帶電路12、 14被平行地放置在相距 2.4mm(在它們攜帶微帶12b、14b的內(nèi)面之間測量)處，具有2mm厚度T的CaTi03擾動器 18(介電常數(shù)為160)被設(shè)置在微帶電路12、14之間。這樣，擾動器18與兩個微帶電路12、 14之間的總空隙等于0. 4mm。擾動器18的最大偏移E等于0. 25mm，即，擾動器18相對于兩 個微帶電路12、14之間的中點(diǎn)(取作零基準(zhǔn)點(diǎn))對稱地在范圍(-0. 125mm-+0. 125mm)內(nèi)運(yùn) 動。這樣，微帶電路12、 14與擾動器18之間的最小距離是0. 075mm。因此，擾動器18的偏 移最好在亞毫米范圍內(nèi)， 一般小于2mm。最小襯底-擾動器距離最好大于0. 05mm :這樣就安 全地避免了擾動器18與微帶電路12/14之間的不希望的機(jī)械接觸的任何風(fēng)險。
更一般地，致動器20通常被配置成在小于2mm的最大偏移上，最好在小于lmm的 最大偏移上位移擾動器18，特別優(yōu)選值是近似0. 25mm的偏移。 通常，擾動器元件與第一微帶電路(12)和第二微帶電路(14)之一之間的最小距 離大于0. 05mm。 金屬微帶12b、14b在下述這樣的方式下，具有2.4mm的寬度每條微帶的阻抗在擾 動器處于零位置上時是50Q，并且在擾動器18的整個偏移上，在(45Q-53Q)范圍內(nèi)變化。
在圖4中所示的示范性實(shí)施例中，用于造成擾動器18位移的信號的頻率通常低于 200Hz，而擾動器18的質(zhì)量小于200g。 如果考慮在2. 0到2. 3GHz頻率范圍(延遲的RF信號的頻率)內(nèi)本文所討論的示 范性器件的性能，l&l在整個頻率范圍上低于15dB，這表明在擾動器的所有位置上輸入端口的匹配都非常好。 此外，還是在整個頻率范圍上，l&l高于-0.5dB，g卩，在每個擾動器位置上延遲元 件損耗都低于O. 25dB。 另外，l&,l在整個頻率范圍上都低于-15dB，這提供了兩個電磁信號得到滿意退耦 的好證據(jù)。 圖5示出了在2.2GHz的頻率上差分延時t diff (縱坐標(biāo)刻度是ns)隨擾動器位移 d(橫坐標(biāo)刻度是mm)的變化。差分延時、iff在(-0. 11—0. ll)ns范圍內(nèi)變化，這意味著 對于O. 25mm的偏移，器件IO在輸出端口之間引入了 0. 22ns的最大差分延時。
圖5強(qiáng)調(diào)了差分延時、iff與擾動器位移d的準(zhǔn)線性關(guān)系。這是另一個顯著特征， 尤其當(dāng)器件以連續(xù)方式工作時，也就是說，線性致動器20以通常在幾十上百Hz (例如，高達(dá) 200Hz)的范圍內(nèi)的某個頻率上下移動擾動器18。 在線性關(guān)系tdiff(d) 二kd(其中，k是恒定值)的情況下，為了實(shí)現(xiàn)差分延時隨時 間t而變的某個函數(shù)t diff (t)，可以簡單地使
tdiff(t) = kd(t) 圖6示范了獲取正弦函數(shù)tdiff(t)所需的擾動器18的偏移d(t)，正弦函數(shù) tdiff(t)具有為了相同圖形中的比較而報(bào)道的周期T二50ms。由于利用本文所述的器件IO 獲取的關(guān)系的小的非線性，兩條曲線(連續(xù)線=純線性關(guān)系；帶點(diǎn)線=利用本文所述的器 件10獲取的準(zhǔn)線性關(guān)系)只稍有不同。因此，如果考慮代表擾動器18的運(yùn)動的函數(shù)d(t)
的頻譜，那么只有非常接近^ = * = 20ife的那些頻率分量才有意義。 功率管理能力是本文所述的器件的另一個令人感興趣的特征事實(shí)上，RF功率主 要集中在作為簡單無源部件的兩條微帶12和14的區(qū)域中，功率管理能力只受到由于微帶 和襯底材料中的損耗的溫度上升的限制。正如指出的那樣，本文所述的器件呈現(xiàn)非常低的 損耗，這保證了該器件能夠管理超過幾十瓦的RF功率電平。 本文所述的裝置的優(yōu)選使用是在需要有效改變和控制射頻和微波區(qū)中的電磁信 號的延時和相移的那些電信應(yīng)用中。 圖7代表本文所述的元件10在電信領(lǐng)域中的可能使用。更具體地說，圖7涉及按 照如PCT/EP2004/011204所述的動態(tài)延遲分集(DDD)技術(shù)進(jìn)行操作的電信設(shè)備。其中，將 RF信號功率分成兩部分Pl和P2，然后分別饋送到第一和第二天線Al和A2，以便發(fā)射。具 體來說，PCT/EP2004/011204公開了將時變延遲應(yīng)用于由第二天線發(fā)射的信號的可能性。多 虧了這種時變延遲，由終端用戶的移動手持機(jī)最終接收的組合信號(Pl+P2)表現(xiàn)出時間分 集的較高電平，致使移動手持機(jī)的基帶電路進(jìn)行的信道解碼相對于傳統(tǒng)的單天線發(fā)射的情 況能夠提供更好的性能。 如圖7所示，當(dāng)使用本文所述的延遲元件10時，來自高功放(HPA)的RF功率被饋 送到分離器S中，以產(chǎn)生兩個信號部分Pl和P2。然后，這些信號穿過延遲元件10的兩條延 遲路徑IN1、 0UT1和IN2、 0U2，然后分別被饋送到第一天線Al和第二天線A2，以便發(fā)射。
因此，兩個信號部分P1和P2被不同的延遲影B向，因?yàn)樾盘柕难訒r以同步方式在兩 條RF分支中變化信號Pl在上分支中被"加速"，同時，信號P2在下分支中被"減速"，反之 亦然。因此，時變的(差分)延遲被產(chǎn)生，組合后的信號表現(xiàn)出時間分集的所希望提高電平，從而改善例如在移動手持機(jī)上的接收性能。 正如指出的那樣，延遲元件10能夠管理高功率(包含功率非常高的RF信號)，因
此，可以與高功放HPA和功分器級聯(lián)，從而避免了例如使用兩個昂貴的高功放。 當(dāng)然，在不使本發(fā)明的基本原理受到損害的情況下，針對僅通過例子描述的本發(fā)
明的內(nèi)容，可以改變(甚至可以顯著地改變)本發(fā)明的細(xì)節(jié)和實(shí)施例，這不偏離如所附權(quán)利
要求書所限定的本發(fā)明的范圍。
權(quán)利要求
一種延遲元件(10)，包括第一微帶電路(12)，用于定義第一信號從第一輸入端口(IN1)到第一輸出端口(OUT1)的第一延遲行進(jìn)路徑，和第二微帶電路(14)，用于定義第二信號從第二輸入端口(IN2)到第二輸出端口(OUT2)的第二延遲行進(jìn)路徑，所述第一微帶電路(12)和第二微帶電路(14)以面對面的關(guān)系并排排列；和擾動器元件(18)，被設(shè)置在所述第一微帶電路(12)和第二微帶電路(14)之間，所述擾動器(18)可朝著和背離所述第一微帶電路(12)和第二微帶電路(14)位移(20)，從而，當(dāng)所述擾動器(18)與所述第一微帶電路(12)和第二微帶電路(14)中的一個的距離增大時，所述擾動器(18)與所述第一微帶電路(12)和第二微帶電路(14)中的另一個的距離減小，反之亦然；所述擾動器(18)在所述第一微帶電路(12)和第二微帶電路(14)之間的位置定義所述第一信號在所述第一延遲行進(jìn)路徑中行進(jìn)所經(jīng)歷的時間(τ1)與所述第二信號在所述第二延遲行進(jìn)路徑中行進(jìn)所經(jīng)歷的時間(τ2)之間的差值(Δτ＝τ1-τ2)。
2. 如權(quán)利要求l所述的元件，包括使所述擾動器在所述第一微帶電路(12)和第二微帶 電路(14)之間移動的致動器(20)。
3. 如權(quán)利要求2所述的元件，其中，所述致動器(20)被配置成相對于所述第一微帶電 路(12)和第二微帶電路(14)之間的中點(diǎn)對稱地位移所述擾動器(18)。
4. 如權(quán)利要求2或3所述的元件，其中，所述致動器(20)被配置成在小于2mm的最大 偏移上位移所述擾動器(18)。
5. 如權(quán)利要求2或3所述的元件，其中，所述致動器(20)被配置成在小于lmm的最大 偏移上位移所述擾動器(18)。
6. 如權(quán)利要求2或3所述的元件，其中，所述致動器(20)被配置成在近似0. 25mm的偏 移上位移所述擾動器(18)。
7. 如權(quán)利要求1到6的任何一項(xiàng)所述的元件，其中，所述擾動器元件與所述第一微帶電 路(12)和第二微帶電路(14)中的任何一個之間的最小距離大于0.05mm。
8. 如前述權(quán)利要求中的任何一項(xiàng)所述的元件，其中，所述第一微帶電路(12)和第二微 帶電路(14)彼此平行地排列。
9. 如權(quán)利要求8所述的元件，其中，所述擾動器(18)具有面向所述第一微帶電路(12) 和第二微帶電路(14)并與所述第一微帶電路(12)和第二微帶電路(14)平行排列的相對 平面。
10. 如前述權(quán)利要求中的任何一項(xiàng)所述的元件，其中，所述第一微帶電路(12)和第二 微帶電路(14)包括介電襯底(12a，14a)，所述介電襯底(12a， 14a)具有設(shè)置在該襯底上的 金屬微帶(12b，14b)。
11. 如權(quán)利要求10所述的元件，其中，所述金屬微帶(12b，14b)彼此面對面排列，所述 擾動器(18)夾在兩者之間。
12. 如前述權(quán)利要求中的任何一項(xiàng)所述的元件，其中，所述第一微帶電路(12)和第二 微帶電路(14)包括具有各自介電常數(shù)eri， 、2的介電襯底(12a，14a)，所述擾動器(18) 包括具有擾動器介電常數(shù)^rt的介電材料，其中，％CTt>> eri， 、2。
13. 如前述權(quán)利要求中的任何一項(xiàng)所述的元件，其中，所述擾動器(18)包括金屬材料。
14. 一種用于延遲電信號(10)的方法，包括如下步驟-定義第一信號從第一微帶電路(12)中的第一輸入端口 (INI)到第一輸出端口 (0UT1)的第一延遲行進(jìn)路徑，以及第二信號從第二微帶電路(14)中的第二輸入端口 (IN2) 到第二輸出端口 (0UT2)的第二延遲行進(jìn)路徑；_以面對面的關(guān)系并排排列所述第一微帶電路(12)和第二微帶電路(14)，擾動器元件 (18)被設(shè)置在所述第一微帶電路(12)和第二微帶電路(14)之間；禾口-朝著和背離所述第一微帶電路(12)和第二微帶電路(14)位移所述擾動器(18)，從 而，當(dāng)所述擾動器(18)與所述第一微帶電路(12)和第二微帶電路(14)中的一個的距離增 大時，所述擾動器(18)與所述第一微帶電路(12)和第二微帶電路(14)中的另一個的距離 減小，反之亦然；所述擾動器(18)在所述第一微帶電路(12)和第二微帶電路(14)之間的 位置定義所述第一信號在所述第一延遲行進(jìn)路徑中行進(jìn)所經(jīng)歷的時間(Tl)與所述第二 信號在所述第二延遲行進(jìn)路徑中行進(jìn)所經(jīng)歷的時間(t 2)之間的差值(At = t 1- t 2)。
15. —種用于經(jīng)由相應(yīng)的分集天線(A1，A2)發(fā)射第一信號(PI)和第二信號(P2)的電 信設(shè)備，所述設(shè)備包含按照權(quán)利要求1到10中的任何一項(xiàng)實(shí)現(xiàn)的延遲元件，其中，所述第一 和第二信號分別穿過所述延遲元件的所述第一和第二延遲行進(jìn)路徑。
全文摘要
一種用于例如有選擇地延遲電信系統(tǒng)中的RF信號的差分延遲元件(10)，包括以面對面的關(guān)系并排排列的第一微帶電路(12)和第二微帶電路(14)。第一微帶電路(12)定義第一信號從第一輸入端口(IN1)到第一輸出端口(OUT1)的第一延遲行進(jìn)路徑，第二微帶電路(14)定義第二信號從第二輸入端口(IN2)到第二輸出端口(OUT2)的第二延遲行進(jìn)路徑。擾動器(18)被設(shè)置在所述第一微帶電路(12)和第二微帶電路(14)之間，可朝著和背離所述第一微帶電路(12)和第二微帶電路(14)位移(20)，從而當(dāng)擾動器(18)與微帶電路之一(12或14)的距離增大時，擾動器(18)與微帶電路中的另一個(14或12)的距離減小，反之亦然。擾動器(18)在第一微帶電路(12)和第二微帶電路(14)之間的位置定義差分延遲，即，兩個信號經(jīng)過延遲器件(10)的延遲路徑行進(jìn)所經(jīng)歷的時間(τ1，τ2)之間的差值(Δτ＝τ1-τ2)。
文檔編號H01P9/00GK101720518SQ200680056857
公開日2010年6月2日 申請日期2006年11月30日 優(yōu)先權(quán)日2006年11月30日
發(fā)明者A·魯斯西托, F·加蒂, G·格拉薩諾, L·里斯, P·塞門扎托, V·伯法 申請人:皮雷利&C.有限公司