CN102420351B - 功分移相器 - Google Patents

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Abstract

一种功分移相器，它为一个功分环和两个耦合环构成的混合环结构，所述的功分环的输入端作为功分移相器的输入，功分环的输出连接两个并联的耦合环，耦合环的输出端作为功分移相器的输出，所述的功分环上设有用于控制多个输出状态的多个对应的加载支节（14），各加载支节（14）上分别设有一开关（15），通过开关（15）控制对应加载支节（14）实现各状态的功分与等差相位信号输出。本发明基于传输线加载支节后的非线性色散特性，在一种具有功分功能的微带结构上，通过开关控制加载支节实现功分与等差相位信号输出。等差相位的大小取决于加载支节的电长度。该功分移相器的结构紧凑，同时兼有功分与移相的功能。

Description

功分移相器
技术领域
 本发明属于相控阵馈电网络领域，特别涉及馈电与移相功能的一体化设计, 具体地说是一种功分移相器。
背景技术
相控阵设计中包括功分网络、移相器及其控制电路设计。这些器件及电路的集成复杂度、系统损耗和制造成本是设计必须考虑的问题。
有源相控阵中采用的T/R(收/发模块)组件中的放大器效率较低，固态移相器的插损较大，使得有源相控阵在很多领域应用受限。因此，减少移相器数量进而降低系统损耗在相控阵领域应用备受关注。
2003年Abbas Abbaspour-Tamijani和Kamal Sarabandi在美国电气和电子工程师学会天线与传播期刊2003年9月第九期（2193—2202页）发表了论文“一种利用交叠平面子阵构成的低成本毫米波波束扫描天线”（“An Affordable Millimeter-wave Beam-Steerable Antenna Using Interleaved Planar Subarrays,”IEEE Transaction on Antennas Propagation, vol.51,no.9,pp.2193-2202,Sep.2003）。论文中将天线阵列划分为多个天线子阵的组合，每个子阵只用一个移相器控制馈电相位，每个子阵内部单元的相位是相同的，这实际上是一种相位虚位技术。基于这种方式还可以将各个子阵重叠或者交叉，从而减少移相器数量，但这种方法会带来天线阵列增益下降和副瓣升高。
2010年D.Ehyaie和 A.Mortazawi在美国电气和电子工程师学会微波理论与技术国际会议上发表了论文“一种低成本、低复杂度相控阵的设计方法”（“A new approach to design low cost, low complexity phased arrays,”2010 IEEE MTT-S International, pp.1270-1273,2010）。论文提出了一种新的相控阵设计方法，该相控阵网络包括有多个3dB定向耦合器、放大器、功率合成器和两个移相器。通过控制移相器和放大器即可实现步进相位和特定幅度分布的输出。显然，大量使用3dB定向耦合器、放大器、功率合成器，电路结构同样使得电路结构复杂和低功率效率。
无源相控阵中，通常每一路输出都需要独立的一组移相器控制相位，当移相器位数又较多时大量使用移相器导致系统电路结构复杂、体积和插损较大。将功分器和移相器一体化设计从而避免大量使用移相器是一种降低系统复杂性和系统损耗的有效方法，至今还未见有关功分器与移相器一体化设计方法的报道。
发明内容
本发明的目的是针对现有的相控阵馈电网络中功分器与移相器单独设计然后集成带来的体积大，损耗大，电路结构复杂等问题，提出一种结构紧凑同时兼有功分与移相功能的功分移相器。
本发明的技术方案是：
一种功分移相器，它为一个功分环和两个耦合环构成的混合环结构，所述的功分环的输入端作为功分移相器的输入，功分环的输出连接两个并联的耦合环，耦合环的输出端作为功分移相器的输出，所述的功分环上设有用于控制多个输出状态的多个对应的加载支节，各加载支节上分别设有一开关，通过开关控制对应加载支节实现各状态的功分与等差相位信号输出。
本发明的功分移相器是在PCB板上设计的；PCB从上至下依次为第一导体层、介质层和第二导体层，位于中间的介质层的介电常数大于1，第二导体层为地，第一导体层为微带电路即功分移相器。
本发明的PCB的第一导体层和第二导体层为导体铜，厚度为0.001~0.01mm，介质层的厚度为0.127mm~1mm。
本发明的各状态对应的等差相位相位差的大小取决于与状态对应的加载支节的电长度。
本发明的加载支节的个数与功分移相器的状态数相等，功分移相器的状态数为偶数时，多个加载支节对称的安装在功分环的两侧。（因为数字式移相状态数为偶数，所以这里我们设计成偶数个状态。对称安装在功分环的两侧是根据设计思想而来：由于结构对称性，对称安装相同长度的支节实际上可以实现相同的等幅与反向的等差相位输出，那么在对称加载相同长度支节的两个状态的切换即可实现相邻输出端口的相差变化，同时保持幅度不变。）
本发明的功分移相器的状态数为四，四个加载支节对称的安装在功分环的两侧，位于功分环同一侧的加载支节的长度不同，二者的长度差决定了输出的等差相位的变化量，加载短支节的长度为0.5~1.5mm，加载长支节的长度为3-4mm。（每个状态对应加载一个支节，形成一定相位的等差相位分布，如设等差相位为theta1，加载另一个支节是也是形成等差相位分布，设等差相位为theta2，只是等差相位的值不同，那么着两个支节的长度差决定了两个状态的等差相位的差值，即theta2- theta1）
本发明中，当同一侧的相邻两个加载支节长度差为0~4mm时，相邻输出端口的相位差为0°~ 20°。
本发明的加载支节的线宽均为0.2~0.6mm，位于同一侧的任意两加载支节的距离小于2mm。
本发明的功分移相器的输入线、输出线的线宽均为0.4~1.2mm。
本发明中，各加载支节上的开关与功分环的距离均为1.4~1.8mm。 
本发明的有益效果：
本发明基于传输线加载支节后的非线性色散特性，在一种具有功分功能的微带结构上，通过开关控制加载支节实现功分与等差相位信号输出。等差相位的大小取决于加载支节的电长度。该功分移相器的结构紧凑，同时兼有功分与移相的功能。
附图说明
图1为本发明功分移相器的实施例1结构立体示意图。
图2为本发明功分移相器的实施例1结构侧视示意图。
图3为本发明功分移相器的实施例1结构俯视示意图。
图4为本发明功分移相器的实施例1第一个工作状态的散射参数示意图。
图5为本发明功分移相器的实施例1第一个工作状态的散射参数S（2，1）相位示意图。
图6为本发明功分移相器的实施例1第二个工作状态的散射参数示意图。
图7为本发明功分移相器的实施例1第二个工作状态的散射参数S（2，1）相位示意图。
图8为本发明功分移相器的实施例1第三个工作状态的散射参数示意图。
图9为本发明功分移相器的实施例1第三个工作状态的散射参数S（2，1）相位示意图。
图10为本发明功分移相器的实施例1第四个工作状态的散射参数S示意图。
图11为本发明功分移相器的实施例1第四个工作状态的散射参数S（2，1）相位示意图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明作进一步的说明。
如图1所示，一种功分移相器，它为一个功分环和两个耦合环构成的混合环结构，所述的功分环的输入端作为功分移相器的输入，功分环的输出连接两个并联的耦合环，耦合环的输出端作为功分移相器的输出，所述的功分环上设有用于控制多个输出状态的多个对应的加载支节14，各加载支节14上分别设有一开关15，通过开关15控制对应加载支节14实现各状态的功分与等差相位信号输出。
如图2所示，本发明的功分移相器是在PCB板上设计的；PCB从上至下依次为第一导体层16、介质层17和第二导体层18，位于中间的介质层17的介电常数大于1，第二导体层18为地，第一导体层16为微带电路即功分移相器。PCB的第一导体层16和第二导体层18为导体铜，厚度为0.004mm，介质层17的厚度为0.127mm~1mm。
本发明的各状态对应的等差相位相位差的大小取决于与状态对应的加载支节14的电长度。加载支节14的个数与功分移相器的状态数相等，功分移相器的状态数为偶数时，多个加载支节14对称的安装在功分环的两侧。(因为数字式移相状态数为偶数，所以这里我们设计成偶数个状态。对称安装在功分环的两侧是根据设计思想而来：由于结构对称性，对称安装相同长度的支节实际上可以实现相同的等幅与反向的等差相位输出，那么在对称加载相同长度支节的两个状态的切换即可实现相邻输出端口的相差变化，同时保持幅度不变。) 当同一侧的相邻两个加载支节14长度差为0~4mm时，相邻输出端口的相位差变化量为0°~20°。加载支节14的线宽均为0.2~0.6mm，位于同一侧的任意两加载支节14的距离小于2mm。
本发明的功分移相器的输入线1、输出线2-5的线宽均为0.4~1.2mm。
本发明中，各加载支节14上的开关15与功分环的距离均为1.4~1.8mm。
实施例一
如图1、2、3所示， 左手微带传输线移相器是在PCB板上设计的，采用Rogers RT/Duroid 5880介质基板；PCB的第一层、第三层为导体铜，厚度为(0.004mm)，由第三层的金属构成左手传输线的地1，中间层为介电常数2.2的介质层2，厚度为0.254mm。1为输入端口，2、3、4、5为输出端口，线宽均为0.78mm。
功分移相器的状态数以四为例，四个加载支节14对称的安装在功分环的两侧，位于功分环同一侧的加载支节的长度不同，二者的长度差决定了输出的相位差。
功分环的宽边6、7的线宽0.78mm，功分环的长边11、12长度即宽边6、7的距离为6.22mm。耦合环的宽边8、9、10的线宽0.6mm；耦合环的长边长度即宽边8与9，宽边9与10距离为3.22。
功分环的长边11的线宽为1.00mm，功分环的长边12的线宽为1.10mm，两耦合环的长边13线宽为0.78mm；功分环的长边11与12距离即功分环的宽边6、7的长度为5.4mm，耦合环的宽边8、9、10的长度即耦合环的长边12与13距离3.1mm。
加载短支节的长度为0.8mm，加载长支节的长度为3.5mm。在功分器两侧对称加载。加载长支节的末端距功分器5.2mm, 加载短支节的末端距功分器2.6mm。开关15与功分器距离均为1.6mm。调节结构中的输出传输线的长度可以使得第一个工作状态实现等幅同相位输出，其余状态实现等幅等差相位输出。
表一为本发明功分移相器实施例1工作状态定义表。
状态 相移量 开关1 开关2 开关3 开关4
II 00 1 0 0 0
III 11.250 0 1 0 0
IIII 22.50 0 0 1 0
IV 33.750 0 0 0 1
表一(0表示断开，1表示闭合)
该具体实施所能实现的电气性能为：中心频率10GHz，工作带宽9.7~10.5GHz，表一是四个工作状态，图1至图三是结构的立体、侧视与俯视图，图4与图5表示第一个状态实现等幅同相位输出，图6与图7表示第二个状态实现等幅与11.250等差相位输出，图8与图9表示第二个状态实现等幅与22.50等差相位输出，图10与图11表示第二个状态实现等幅与33.50等差相位输出。
本发明未涉及部分均与现有技术相同或可采用现有技术加以实现。

Claims (7)

1.一种功分移相器，其特征是它为一个功分环和两个耦合环构成的混合环结构，所述的功分环的输入端作为功分移相器的输入，功分环的输出连接两个并联的耦合环，耦合环的输出端作为功分移相器的输出，所述的功分环上设有用于控制多个输出状态的多个对应的加载支节（14），各加载支节（14）上分别设有一开关（15），通过开关（15）控制对应加载支节（14）实现各状态的功分与等差相位信号输出。
2.根据权利要求1所述的功分移相器，其特征是所述的加载支节（14）的个数与功分移相器的状态数相等，功分移相器的状态数为偶数时，多个加载支节（14）对称的安装在功分环的两侧。
3.根据权利要求2所述的功分移相器，其特征是所述的功分移相器的状态数为四，四个加载支节（14）对称的安装在功分环的两侧，位于功分环同一侧的加载支节的长度不同，二者的长度差决定了相应两个状态的输出的等差相位的变化量，加载短支节的长度为0.5~1.5mm，加载长支节的长度为3-4mm。
4.根据权利要求2或3所述的功分移相器，其特征是当同一侧的相邻两个加载支节（14）长度差为0~4mm时，相邻输出端口的等差相位变化量为0°~20°。
5.根据权利要求3所述的功分移相器，其特征是所述的加载支节（14）的线宽均为0.2~0.6mm，位于同一侧的任意两加载支节（14）的距离小于2mm。
6.根据权利要求1所述的功分移相器，其特征是所述的功分移相器的输入线（1）、输出线（2-5）的线宽均为0.4~1.2mm。
7.根据权利要求1所述的功分移相器，其特征是各加载支节（14）上的开关（15）与功分环的距离均为1.4~1.8mm。
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