CN101820090A - 一种采用齿状或梳状结构介质滑片的新型移相器 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种采用齿状或梳状结构介质滑片的新型移相器，其包括带状线功率分配器和置于其中的一对或多对介质滑片；所述的带状线功率分配器包括上，下两层导体接地板和位于两层导体接地板中间的信号传输导带，带状线功率分配器中为空气填充或具有良好介电特性的液体填充，信号传输导带上表面与上导体接地板之间以及信号传输导带下表面与下导体接地板之间放置至少一对介质滑片；介质滑片经特殊设计，根据相位调整需要并可以沿信号传输导带的线宽方向滑动。本发明结构简单，集成度高，用于基站天线可以实现很高步进精度的电调波束倾角。

Description

一种采用齿状或梳状结构介质滑片的新型移相器

技术领域

本发明涉及一种可变相位的移相器，尤其涉及一种步进进度高，兼具功率分配功能的采用齿状或梳状结构介质滑片的新型移相器。

背景技术

移相器是用来改变传输信号相位的器件，在雷达和通信系统中均有广泛的应用。在相控阵雷达系统中，移相器是发射/接收组件中重要的组成元件。

移相器可以分为两类，一类是通过改变传输线物理长度来实现移相功能，通常传输线物理长度的改变依靠机械滑动方式或半导体器件来控制。另一类是通过改变介质材料的介电常数来实现移相功能。通常这一类移相器依靠铁氧体材料或介质滑片的滑动来实现介质介电常数的改变。通过改变传输线物理长度来提供不同相位的移相器物理尺寸一般较大，不利于与天线集成。铁氧体移相器尽管能够应用于大功率微波系统，但相位的非线性变化是其不足之处。介质滑片型移相器由于结构简单，易于实现步进度很小的相移而受到广泛应用。

在移动通信系统中，移相器可以应用在基站电调天线的馈电网络中。在基站天线设计中，为了保证信号在本小区内的覆盖，以及减小对相邻小区的干扰，需要对天线垂直面方向图进行一定的调整，使其主瓣指向在垂直面方向上有一个可调的下倾角。移相器可以改变基站天线阵各阵元的相位，从而实时的根据需要自动调整天线倾角。

由于移相器本身结构复杂，成本高昂，因此需要设计结构简单，成本低，易于生产的新型移相器。

发明内容

本发明所要解决的问题是提供一种结构简单，能够提供很高步进精度波束倾角的采用齿状或梳状结构介质滑片的新型移相器。

为解决上述技术问题，本发明所采用的技术方案是：

一种采用齿状或梳状结构介质滑片的新型移相器，包括一个带状线功率分配器电路和位于带状线间位置可滑动的齿状或梳状非等宽度介质滑片。

进一步的，所述带状线功率分配器电路包括平行放置的上导体接地板和下导体接地板，以及置于上、下导体接地板之间的信号传输导带，导体接地板与信号传输导带之间为空气填充或具有良好介电特性的液体填充。

进一步的，所述信号传输导带由一个输入端口和至少两个输出端口构成，信号传输导带的输出端口分立于输入端口的左，右两侧。

进一步的，所述上导体接地板与信号传输导带上表面之间至少放置一个介质滑片。

进一步的，所述下导体接地板与信号传输导带下表面之间至少放置一个介质滑片，介质滑片在沿信号传输导带的线宽方向可以自由滑动。

进一步的，所述介质滑片根据相位调整需要，轮廓呈楔形、菱形、椭圆形或其它不等宽形状，具有齿状或梳状结构；介质滑片在滑动至不同位置时，覆盖信号传输导带的面积不断线性变化。

进一步的，所述介质滑片具有齿状或梳状结构。

进一步的，所述位于信号传输导带输入端口左侧的介质滑片与位于输入端口右侧的介质滑片呈相反方向摆放。

进一步的，当移相器包括多对介质滑片时，多对介质滑片连成一体，同时沿同一方向滑动。本发明的有益效果是：由于所述移相器采用的带状线形式，辐射损耗较小；本发明新型介质滑片移相器将带状线功率分配器与移相组件集成，大大减小了馈电网络的复杂性；本发明新型介质滑片移相器适用范围广，针对不同天线倾角变化范围的要求，只需要修改介质滑片的轮廓形状，调整齿间距，便可以满足需求；该移相器具有很高的扩展性，可以设计任意输出端口数的移相器。同时，将本发明新型介质滑片移相器应用在电调基站天线上时，波束倾角具有很高的步进精度。

附图说明

图1是本发明新型介质滑片移相器实施方式的内部结构示意图；

图2是本发明新型介质滑片移相器的侧视图；

图3是本发明新型介质滑片移相器移相单元模块的示意图；

图4是移相单元模块的传输线等效示意图；

图5是本发明新型介质滑片移相器最小相移差时的示意图；

图6是本发明新型介质滑片移相器最大相移差时的示意图；

图7是输出端口5a的信号幅度变化图；

图8是输出端口5b的信号幅度变化图；

图9是输出端口5c的信号幅度变化图；

图10是输出端口5d的信号幅度变化图；

图11是输出端口5a的信号相位变化图；

图12是输出端口5b的信号相位变化图；

图13是输出端口5c的信号相位变化图；

图14是输出端口5d的信号相位变化图；

图15是本发明新型介质滑片移相器应用在四单元直线阵时的下倾角变化示意图；

具体实施方式

图1是本发明新型介质滑片移相器的内部结构示意图，该移相器包括导体接地板1，介质滑片2和信号传输导带3。介质滑片2为楔形或其他不等宽形状，具有齿状或梳状结构，可以沿图1所示箭头方向同时滑动，其中介质滑片2a，2b呈正向放置，介质滑片2c呈反向放置。信号传输导带3和导体接地板1构成带状线功率分配器，信号传输导带3有一个输入端口4和四个输出端口5a，5b，5c，5d，其中输出端口5a，5b位于输入端口4的左侧，而输出端口5c，5d位于输入端口4的右侧。一路微波信号从输入端口4输入，并沿着信号传输导带3传输，最终从四个输出端口5a，5b，5c，5d输出，并分别与四个天线阵元连接。信号传输导带3的线宽取决于与天线的匹配以及四个输出端口5a，5b，5c，5d的输出功率比。微波信号在信号传输导带3上传输过程中会从空气区域传输至介质滑片加载区域，介质介电常数的变化将导致信号的相位滞后。

图2是本发明新型介质滑片移相器的侧视图。导体接地板1包括上导体接地板1a和下导体接地板1b，信号传输导带3位于导体接地板1a，1b之间。信号传输导带3分为上表面3a和下表面3b。信号传输导带3周围为空气填充或具有良好介电特性的液体填充。三对介质滑片2a，2b，2c分别置于所述信号传输导带上表面3a与上导体接地板1a之间以及信号传输导带下表面3b与下导体接地板1b之间，介质滑片2厚度均匀。

图3是本发明新型介质滑片移相器的移相单元模块示意图。本发明新型介质滑片移相器依靠三个这样的模块单元实现移相。介质滑片2a在沿着信号传输导带3的线宽方向滑动至不同位置时，由于介质滑片2宽度的变化，覆盖信号传输导带3的面积不断变化。

图4为移相单元模块的等效传输线原理图，ε_e2表示介质滑片2a覆盖信号传输导带3区域的有效介电常数，ε_e1表示介质滑片2a未覆盖信号传输导带3即空气覆盖区域的有效介电常数。当介质滑片2a从位置1滑动至位置2时，介质滑片2a覆盖信号导带3的区域不断增加，对信号传输导带3的影响也不断增大。根据传输线理论，介质滑片2a从位置1滑动至位置2时，信号相位变化

式中f表示微波信号频率，c表示光速，ΔL表示两个不同位置下，介质滑片2a覆盖信号传输导带3区域的宽度差。

图5和图6是本发明新型介质滑片移相器的两种状态示意图。图5所示为介质滑片2a，2b，2c同时沿箭头所示方向A滑动。介质滑片2在沿方向A滑动时，介质滑片2a，2b覆盖信号传输导带3的部分逐渐减小，而介质滑片2c由于与介质滑片2a，2b摆放位置相反，覆盖信号传输导带3的部分逐渐增加。当介质滑片2滑动至如图所示的位置1时，介质滑片2a，2b不覆盖信号传输导带3，而介质滑片2c完全覆盖信号传输导带3。图6所示为介质滑片2a，2b，2c同时沿箭头所示方向B滑动，并滑动至如图所示位置4，此时介质滑片2a，2b完全覆盖信号传输导带3，而介质滑片2c不覆盖信号传输导带3。

根据相控阵天线原理，不同阵元之间相位差的变化引起天线波束指向的变化，由数学表达式表示即：

式中

为相邻阵元间的输入信号相位差，θ_B为天线主波束的方向，λ为信号波长，d为天线阵元间距。本发明新型介质滑片移相器依据上述原理，通过引入介质滑片2，使各输出端口5a，5b，5c，5d之间相位差不断线性变化，从而实现天线波束指向的不断变化。

由于每一个模块单元所产生的移相量在数值上是一致的，而如图1所示，三对介质滑片2a，2b，2c放置在信号传输导带3的不同位置处，四个输出端口5a，5b，5c，5d受到介质滑片2的影响均不相同，因此本发明新型介质滑片移相器在三对介质滑片2同时滑动过程中，四个输出端口5a，5b，5c，5d的信号相位分配会出现差异。根据相控阵天线原理，这样的差别是本发明新型介质滑片移相器所需要的。介质滑片2在沿方向A或B滑动至不同位置时，所述输出端口5a，5b，5c，5d信号相移不断改变，即介质滑片2覆盖信号传输导带3的数量可以定量的决定相移的大小。介质滑片2覆盖信号传输导带3的区域越多，引起的相移则越大。由于微波信号在信号传输导带3上传输过程中，输出端口5c没有受到介质滑片的影响，所以该端口在介质滑片2滑动至不同位置时相位不变。输出端口5b只受到一对介质滑片2b的影响，而输出端口5a受到两对介质滑片2a，2b的影响，所以输出端口5a的相位变化是输出端口5b的两倍。而输出端口5d仅受到一对介质滑片2c的影响，且介质滑片2c与介质滑片2a，2b呈倒置方向放置，所以相位变化趋势相反，即所述输出端口5a，5b相位不断增大时，输出端口5c相位不变，而输出端口5d不断减小。通过精心的设计，各输出端口5相位差可以有规律的同时增大或减小，这样天线主波束的下倾角θ_B在介质滑片2滑动至不同位置的过程中实现不断步进变化。

介质滑片2在实现本发明新型介质滑片移相器移相的同时也不可避免的带来阻抗失配的问题，同时微波信号从空气覆盖区域传输至介质滑片2覆盖区域时，会产生部分反射。为了解决这些问题，本发明新型介质滑片移相器的介质滑片2采用齿状或梳状结构，齿宽度和齿间距经过优化设计，这样的结构可以减缓特性阻抗的变化，也可以减小由于阻抗突变引起的反射。

图7至图10是本发明新型介质滑片移相器在介质滑片2滑动至图5标注的四个位置时，各输出端口5的信号幅度变化情况。当介质滑片2滑动至不同位置时，各输出端口5的信号幅度基本保持不变。图11至14是本发明新型介质滑片移相器在介质滑片2滑动至图5所标注的四个位置时，各输出端口5的信号相位变化。可以看出，各输出端口5的相位实现了有规律的变化。介质滑片2从位置1滑动至位置4过程中，输出端口5a，5b相位不断增大，且输出端口5a相位的变化接近输出端口5b相位的两倍。输出端口5c相位没有变化，而输出端口5d相位不断减小，且变化幅度与输出端口5b一致。

图15是本发明新型介质滑片移相器应用在某四阵元3G基站天线上时的垂直面方向图。可以看出在介质滑片2滑动至不同位置时，天线波束倾角不断下倾，且步进精度很高。使用本发明新型介质滑片移相器的基站天线具有良好的工作特性。

本发明新型介质滑片移相器可以根据实际需要应用到不同场合，也可以根据实际需要扩展至更多输出端口。

Claims (9)

1.一种采用齿状或梳状结构介质滑片的新型移相器，其特征在于：包括一个带状线功率分配器电路和位于带状线间位置可滑动的齿状或梳状非等宽度介质滑片。

2.如权利1所述的采用齿状或梳状结构介质滑片的新型移相器，其特征在于：所述带状线功率分配器电路包括平行放置的上导体接地板和下导体接地板，以及置于上、下导体接地板之间的信号传输导带，导体接地板与信号传输导带之间为空气填充或具有良好介电特性的液体填充。

3.如权利2所述的采用齿状或梳状结构介质滑片的新型移相器，其特征在于：所述信号传输导带由一个输入端口和至少两个输出端口构成，信号传输导带的输出端口分立于输入端口的左，右两侧。

4.如权利2所述的采用齿状或梳状结构介质滑片的新型移相器，其特征在于：所述上导体接地板与信号传输导带上表面之间至少放置一个介质滑片。

5.如权利2所述的采用齿状或梳状结构介质滑片的新型移相器，其特征在于：所述下导体接地板与信号传输导带下表面之间至少放置一个介质滑片，介质滑片在沿信号传输导带的线宽方向可以自由滑动。

6.如权利1所述的采用齿状或梳状结构介质滑片的新型移相器，其特征在于：所述介质滑片根据相位调整需要，轮廓呈楔形、菱形、椭圆形或其它不等宽形状，具有齿状或梳状结构；介质滑片在滑动至不同位置时，覆盖信号传输导带的面积不断线性变化。

7.如权利1所述的采用齿状或梳状结构介质滑片的新型移相器，其特征在于：所述介质滑片具有齿状或梳状结构。

8.如权利1所述的采用齿状或梳状结构介质滑片的新型移相器，其特征在于：所述位于信号传输导带输入端口左侧的介质滑片与位于输入端口右侧的介质滑片呈相反方向摆放。

9.如权利1所述的采用齿状或梳状结构介质滑片的新型移相器，其特征在于：当移相器包括多对介质滑片时，多对介质滑片连成一体，同时沿同一方向滑动。

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