CN103560319A - 移相单元模块及其制造方法、移相装置和天线 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种移相单元模块及其制造方法、移相装置和天线，所述移相单元模块，包括第一金属反射板、第二金属反射板、绝缘介质板、滑动装置和固定传输线；所述绝缘介质板上具有至少一个阻抗变换部分；所述阻抗变换部分的厚度小于绝缘介质板其余部分的厚度；所述绝缘介质板的阻抗变换部分在移动过程中与固定传输线有交迭。本发明实施例提供的移相单元模块及其制造方法、移相装置和天线中，绝缘介质板只与固定传输线有交迭，减小了反射信号，同时减小了损耗，有利于移相单元模块和移相装置的超宽频设计。

Description

移相单元模块及其制造方法、移相装置和天线

技术领域

本发明涉及基站天线技术领域，更具体地说，涉及一种移相单元模块及其制造方法、移相装置和天线。

背景技术

传统的可调谐天线元件由功率分配器、变压器和相位调整器组成，在高性能的天线中，这些部件是互相紧密联系的，由于这些部件强力地相互作用，有时难以形成理想的波束形状，因此需要规范的移相装置来解决这些问题。

在现有技术一，美国发明专利US5949303中，公开了一种可调整天线阵列的波束俯角的网络，该波束形成网络包括固定基板、附有馈线网络的固定载板和可移动的绝缘板，绝缘板放置在固定基板及固定载板之间，通过移动绝缘体来实现移相功能。此技术有如下缺点：第一，绝缘板与多个馈线交迭，增加了损耗；第二，绝缘板与馈线网络的多个位置相交，增加了反射信号，不利于宽频带设计；第三，输出端的排列顺序与线性天线阵列的辐射单元的排列顺序相矛盾，增加了输出端与辐射单元连接时的复杂度，同时也增加了输出端与辐射单元之间连接电缆的长度，增加了成本和损耗；第四，这种方法不适用于奇数输出端口的线性天线阵列。

在现有技术二，欧洲发明专利WO 03/019723中，公开了一种带有集成移相器的天线馈送网络。该装置包括带有多个端口的公共馈线的分支网络和安装在网络附近的介质板，介质板可移动以便同步地调整公共馈线与一个或多个端口之间的相位关系。此技术有如下缺点：第一，该装置采用一整块细长的介质板，介质板容易弯曲变形，影响了装置整体性能的稳定性；第二，细长介质板与馈线的接触面积大，介质板在移动过程中与馈线产生较大的摩擦，使馈线电路容易磨损，从而导致装置的三阶互调不稳定；第三，介质板与多个馈线相交，增加了反射信号，不利于宽频带设计；第四，介质板与多个馈线交迭，增加了损耗。

图1为现有技术二所提供一个实施例中的一种10端口装置图，其中，带状线18位于绝缘体47a与绝缘体47b之间，当绝缘体47a与绝缘体47b向相同的方向同步移动时，各相邻输出端口间的相位差同步地改变，且相邻输出端口的最大相位差由绝缘体47a、47b可移动的最大距离决定，即由带状线18的长度决定。相邻输出端口的相位差与天线阵列的下倾角成正比，带状线18呈直线形状，适合应用在小下倾角（如10度下倾角）的天线阵列中；如果该装置应用在大下倾角（如大于15度下倾角）的天线阵列中，就需要大幅度地增加带状线18的长度，这将使整个装置的长度远远大于天线阵列的长度，增加天线的长度、成本和复杂程度。对应的，绝缘体47a、47b的长度也要大大增加，由于绝缘体47a、47b一般使用塑料制成，当长度过长时，绝缘体47a、47b容易弯曲变形，影响了装置整体性能的稳定性。此外，绝缘体47a、47b大面积地覆盖了带状线18和功率分配器，增大了装置的损耗。

综上所述，现有技术中的移相装置的应用具有局限性，不适合应用在大下倾天线阵列中。装置中绝缘体的面积较大，增加了绝缘体的加工精度、难度和成本，并且容易弯曲变形；绝缘体与大部分馈线有交迭，增大了损耗。

发明内容

本发明的目的在于提供一种移相单元模块及其制造方法、移相装置和天线，减小绝缘介质板造成的不必要损耗，同时降低绝缘介质板的制造难度和成本，并提高移相单元模块和移相装置在大下倾天线阵列中的适用性。

为实现上述目的，本发明采用以下技术方案：

一种移相单元模块，包括第一金属反射板、第二金属反射板、绝缘介质板、滑动装置和固定传输线；所述固定传输线和绝缘介质板夹在第一金属反射板和第二金属反射板之间；所述绝缘介质板设置在固定传输线的侧面，且固定于滑动装置上，通过滑动装置在固定传输线的侧面移动；

所述绝缘介质板上具有至少一个阻抗变换部分；所述阻抗变换部分的厚度小于绝缘介质板其余部分的厚度；

所述绝缘介质板的阻抗变换部分在移动过程中与固定传输线有交迭。

优选地，所述绝缘介质板有两块，分别设置在固定传输线的两相对侧面；两绝缘介质板分别固定于同一滑动装置上，并通过滑动装置在固定传输线的两侧面同步移动。

优选地，所述阻抗变换部分是在绝缘介质板上的局部区域去除厚度方向上的部分材料形成的。

优选地，所述固定传输线至少包括一段直线传输线。

优选地，所述固定传输线为多段直线传输线依次相连形成的曲折传输线，所述曲折传输线包括多段直线传输线和连接传输线；所述多段直线传输线相互平行排列，沿绝缘介质板的移动方向延伸；所述多段直线传输线通过连接传输线依次首尾相连。

优选地，所述阻抗变换部分有多个，且各阻抗变换部分的厚度不相等。

一种移相装置，包括多个以上所述的移相单元模块，所述多个移相单元模块分布于同一平面上，各移相单元模块的固定传输线通过若干功率分配器相互电性连接；所述多个移相单元模块的绝缘介质板固定于同一滑动装置上，并通过滑动装置同步移动。

优选地，所述多个移相单元模块的第一金属反射板是一体的、多个移相单元模块的第二金属反射板也是一体的，所述固定传输线和功率分配器蚀刻于同一PCB基板上，设置在固定传输线的侧面的绝缘介质板设置于PCB基板的侧面。

优选地，所述第一金属反射板和PCB基板上设有限位滑槽，所述滑动装置从外部依次穿过第一金属反射板和PCB基板的限位滑槽，且与固定传输线侧面的绝缘介质板固定连接，用于在限位滑槽限定的始末位置之间，带动多个绝缘介质板在各自对应的固定传输线侧面同步移动，所述限位滑槽的开设位置使绝缘介质板在移动过程中仅与PCB基板上的固定传输线有交迭。

优选地，所述滑动装置包括拉杆、拉杆导轨和多个插销，拉杆导轨固定于第一金属反射板背向PCB基板的一侧，所述拉杆可滑动地安装于拉杆导轨上；所述插销一端固定连接于拉杆上，另一端依次穿过第一金属反射板和PCB基板上的限位滑槽，并与分布于PCB基板侧面的绝缘介质板固定连接。

优选地，所述功率分配器与第一金属反射板和第二金属反射板之间填充有低损耗微波介质材料。

一种制造移相单元模块的方法，包括：

在用于移相单元模块的绝缘介质板上的局部区域去除厚度方向上的部分材料，形成一阻抗变换部分，所述阻抗变换部分的厚度小于绝缘介质板其余部分的厚度。

优选地，还包括：

将一固定传输线夹设于两绝缘介质板之间；

将所述绝缘介质板和固定传输线夹设于两金属反射板之间；

将两绝缘介质板固定连接于同一滑动装置上，以实现在固定传输线的两侧同步移动。

优选地，还包括：

在固定传输线的一侧面设置一绝缘介质板；

将所述绝缘介质板和固定传输线夹设于两金属反射板之间；

将绝缘介质板固定连接于一滑动装置上，以实现在固定传输线的侧面移动。

优选地，还包括，在绝缘介质板上的多个区域去除厚度方向上的部分材料，形成多个阻抗变换部分，所述多个阻抗变换部分的厚度不相等。

一种天线，包括以上所述的移相装置以及若干个与所述移相装置相连的信号辐射单元。

本发明实施例提供的移相单元模块及其制造方法、移相装置和天线，将现有技术中馈线网络上整块的绝缘体拆分为多块较小的绝缘介质板，仅在固定传输线的对应位置设置绝缘介质板，并通过一滑动装置控制所有绝缘介质板同步移动。所述绝缘介质板在移动过程中，不与功率分配器交迭，避免了绝缘介质板对馈线网络造成多余的损耗和信号反射。同时，多块小型绝缘介质板代替整块大型绝缘体的设计既解决了绝缘体容易弯曲变形的问题，又降低了移相装置的制造成本，提高了移相单元模块和移相装置在大下倾天线阵列中的适用性。本发明中的绝缘介质板只与固定传输线有交迭，减小了反射信号，同时减小了损耗，有利于移相单元模块和移相装置的超宽频设计。

附图说明

图1为现有技术二中的10端口装置结构示意图。

图2为本发明实施例一的移相单元模块的结构示意图。

图3为本发明实施例一的移相单元模块的拆解结构示意图。

图4为本发明实施例一的移相单元模块的内部结构俯视图。

图5为图4中A-A部分的截面图。

图6为本发明实施例二的移相装置的拆解结构示意图。

图7为本发明实施例二的移相装置的部分组装示意图。

具体实施方式

下面将结合附图和具体的实施例，对本发明进行进一步的详细说明。

仅仅出于方便的原因，在以下的说明中，使用了特定的方向术语，比如“上”、“下”、“左”、“右”等等，是以对应的附图为参照的，并不能认为是对本发明的限制，当图面的定义方向发生改变时，这些词语表示的方向应当解释为相应的不同方向。

实施例一

请参照图2和图3，本发明实施例提供的一种移相单元模块包括第一金属反射板1、第二金属反射板2、固定传输线4和绝缘介质板5，所述绝缘介质板5有两块，分别为第一绝缘介质板5a和第二绝缘介质板5b，分别设置在固定传输线4的上侧面和下侧面，所述固定传输线4和绝缘介质板5夹在第一金属反射板1和第二金属反射板2之间。两绝缘介质板5分别固定于一滑动装置（未图示）上，并通过滑动装置在固定传输线4的两侧面同步移动。需要说明的是，也可以只使用一块绝缘介质板5，设置在固定传输线4的一侧面；本发明实施例中使用两块绝缘介质板5的结构，是一种更加优选的实施方式。

在本发明实施例中，所述固定传输线4采用带状线结构实现。具体地，所述固定传输线4为多段直线传输线依次相连形成的曲折传输线，整体呈“U”形结构。所述曲折传输线包括多段直线传输线和连接传输线；所述多段直线传输线相互平行排列，沿绝缘介质板5的移动方向延伸；所述多段直线传输线通过连接传输线依次首尾相连，其中，所述连接传输线可以是直线也可以是曲线。所述固定传输线4可以在导体板材上通过切割或冲压形成，也可以印刷在PCB基板上。在本发明实施例中，所述固定传输线4印刷在一块厚度为0.2mm的FR4介质基板3上。

图4显示的是本实施例去掉第一金属反射板1后的内部结构俯视图，第一绝缘介质板5a和第二绝缘介质板5b在介质基板3上的投影位置重合；所述绝缘介质板5覆盖部分固定传输线4，即绝缘介质板5与固定传输线4有交迭。图5显示的是图4中A-A部分的截面图，第一绝缘介质板5a和第二绝缘介质板5b整体呈类长方体形状，第一绝缘介质板5a和第二绝缘介质板5b上靠近右端的位置分别具有一阻抗变换部分。所述阻抗变换部分的厚度小于绝缘介质板5上其余部分的厚度；在两绝缘介质板5随滑动装置移动的过程中，所述阻抗变换部分与固定传输线4有交迭。

如图5所示，所述阻抗变换部分是在绝缘介质板5上的局部区域去除厚度方向上的部分材料形成的，这使得绝缘介质板5在厚度方向呈凹形阶梯结构。需要注意的是，所述阻抗变换部分去除材料的部分即可以位于绝缘介质板5的上底面，也可以位于绝缘介质板5的下底面，还可以同时在绝缘介质板5的两侧面同时去除厚度方向上的部分材料；在本发明实施例中，所述阻抗变换部分距离绝缘介质板5右端B处的距离为L1，去除的材料长为L2，厚度为h。去除部分材料后，使得固定传输线4的C-D部分上下填充的是空气与绝缘介质的混合物，通过调节去除材料的厚度h，可以调节固定传输线4的C-D部分的阻抗。通过高频仿真软件调节参数h、L1、L2的数值，可以减小信号的反射；即既可以减小信号从B处流向D处的反射，也可以减小信号从D处流向B处的反射。

具体地，当两绝缘介质板5通过滑动装置在固定传输线4两侧同步往右滑动时，固定传输线4两端的电长度的变化为：

$\mathrm{\Δl}=\frac{2L}{\mathrm{\λ}}(\sqrt{{\mathrm{\ϵ}}_r}-\sqrt{{\mathrm{\ϵ}}_0})$

其中L为绝缘介质板5移动的距离，λ为信号在空气中的工作波长，ε_r为绝缘介质板5的介电常数，ε₀为1，是空气的介电常数；那么，由电长度变化引起的相位差为：

$\mathrm{\Δ\θ}=\frac{2L}{\mathrm{\λ}}(\sqrt{{\mathrm{\ϵ}}_r}-1)*2\mathrm{\π}$

因此，当绝缘介质板5在固定传输线4上滑动时，其滑动距离L发生变化，相位差△θ也将随着滑动距离L线性变化，从而达到移相的目的。

作为改进，可以在绝缘介质板5上设置多个阻抗变换部分，所述多个阻抗变换部分可在绝缘介质板5上根据需求相邻或间隔分布，且各阻抗变换部分的厚度可设置为相同或不同值，通过这一改进，能够使绝缘介质板5在固定传输线4上产生更优异的阻抗变换效果，以满足移相单元模块的超宽频设计。

实施例二

本发明实施例利用多个实施例一所述的移相单元模块组成了更为复杂的移相装置。具体地，所述多个移相单元模块分布于同一平面上，各移相单元模块的固定传输线4通过若干功率分配器6相互电性连接；所述多个移相单元模块的第一金属反射板1是一体的、多个移相单元模块的第二金属反射板2也是一体的；所述多个移相单元模块的绝缘介质板5固定于同一滑动装置上，并通过滑动装置同步移动。

如图6和图7所示，本发明实施例提供的移相装置包括第一金属反射板1、第二金属反射板2、固定传输线4、功率分配器6、绝缘介质板5和滑动装置。所述固定传输线4和功率分配器6印刷在同一块厚度为0.2mm的FR4介质基板3上，所述固定传输线4与功率分配器6电性连接，组成馈线网络7。绝缘介质板5对称分布于介质基板3的上底面和下底面，所述介质基板3和绝缘介质板5夹在第一金属反射板1和第二金属反射板2之间。

为固定介质基板3并使其保持平整，可以在功率分配器6与第一金属反射板1和第二金属反射板2之间填充低损耗微波介质材料（未图示），所述低损耗微波介质与绝缘介质板5没有交迭。

本发明实施例中，所述滑动装置由一个拉杆11、两个拉杆导轨13以及四个安装在拉杆11上的插销14组成。拉杆导轨13固定在第一金属反射板1的上底面，即背向介质基板3的一面。拉杆11可滑动地安装在两个拉杆导轨13上，可在拉杆导轨13的导向作用下沿介质基板3的长度延伸方向滑动。插销14的一端固定在拉杆11上，另一端与对应位置的绝缘介质板5固定连接。

具体地，所述第一金属反射板1上设有多个限位滑槽8，介质基板3上的相同位置对应设有限位滑槽10，第二金属反射板2上的相同位置也对应设有限位滑槽9，所述绝缘介质板5在对应位置上设有多边形定位槽12；所述插销14依次穿过第一金属反射板1上的限位滑槽8、介质基板3上的限位滑槽10和第二金属反射板2上的限位滑槽9，同时还穿过对应位置的绝缘介质板5上的定位槽12，与绝缘介质板5固定连接。

作为改进，第一金属反射板1上的限位滑槽8、介质基板3上的限位滑槽10和第二金属反射板2上的限位滑槽9被制作成腰圆形，用于供插销14插入并移动，每一个插销14在第一金属反射板1、介质基板3和第二金属反射板2上都分别有一个对应的限位滑槽8、10或9。所述限位滑槽8、10和9起限制拉杆11移动范围的作用，用于控制绝缘介质板5移动的始末位置。

当拉杆11受力滑动时，绝缘介质板5随拉杆11和插销14同步移动；所述拉杆11和插销14在限位滑槽8、10和9限定的始末位置之间，带动多个绝缘介质板5在各自对应的固定传输线4侧面同步移动；通过改变绝缘介质板5与固定传输线4的相对位置，可以改变固定传输线5两端信号的相位，从而实现移相的目的。所述限位滑槽8、10和9的开设位置使绝缘介质板5在移动过程中仅与介质基板3上的固定传输线4有交迭，而不与功率分配器6产生交迭。

如图6和图7所示，当本发明实施例提供的移相装置馈入信号时，信号从输入口20输入，从输出口21、22、23、24、25输出，当所有绝缘介质板5随拉杆11向介质基板3的上方移动时，第一固定传输线4a、第二固定传输线4b两端的可变延迟信号变化量和第三固定传输线4c、第四固定传输线4d两端的可变超前信号变化量相等，即信号经过第一固定传输线4a或第二固定传输线4b时会分别产生-△θ相位变化量，信号经过第三固定传输线4c或第四固定传输线4d时会产生+△θ相位变化量。

于是，从输入口20至输出口21的传输信号依次经过第三固定传输线4c和第四固定传输线4d，产生+2△θ的相位变化量；

从输入口20至输出口22的传输信号经过第三固定传输线4c，产生+△θ的相位变化量；

从输入端口20至输出口23的传输信号经未过固定传输线5，产生的相位变化量为0；

从输入口20至输出口24的传输信号经过第二固定传输线4b，产生-△θ的相位变化量；

从输入口20至输出口25的传输信号依次经过第二固定传输线4b和第一固定传输线4a，产生-2△θ的相位变化量。

因此，当本发明实施例的移相装置的输出端口21、22、23、24、25分别与信号辐射单元（未图示）连接时，通过拉杆11同步移动绝缘介质板5，对应的信号辐射单元的输入信号的相位发生线性变化，从而可实现天线方向图电下倾的功能。

实施例三

本发明实施例提供了一种制造实施例一所述的移相单元模块的方法，具体包括以下步骤：

在绝缘介质板上的局部区域去除厚度方向上的部分材料，形成一阻抗变换部分，所述阻抗变换部分的厚度小于绝缘介质板其余部分的厚度；所述阻抗变换部分为多边形；

将一固定传输线夹设于两绝缘介质板之间；其中，绝缘介质板被去除部分材料的侧面朝向固定传输线设置；

将所述绝缘介质板和固定传输线夹设于两金属反射板之间；

将两绝缘介质板固定连接于同一滑动装置上，以实现在固定传输线的两侧同步移动。

作为改进，还可在绝缘介质板上的多个区域去除厚度方向上的部分材料，形成多个阻抗变换部分，所述多个阻抗变换部分的厚度不相等。

以上所述实施例仅表达了本发明的优选实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对本发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。

Claims (16)

1.一种移相单元模块，其特征在于，包括第一金属反射板、第二金属反射板、绝缘介质板、滑动装置和固定传输线；所述固定传输线和绝缘介质板夹在第一金属反射板和第二金属反射板之间；所述绝缘介质板设置在固定传输线的侧面，且固定于滑动装置上，通过滑动装置在固定传输线的侧面移动；

所述绝缘介质板上具有至少一个阻抗变换部分；所述阻抗变换部分的厚度小于绝缘介质板其余部分的厚度；

所述绝缘介质板的阻抗变换部分在移动过程中与固定传输线有交迭。

2.根据权利要求1所述的移相单元模块，其特征在于，所述绝缘介质板有两块，分别设置在固定传输线的两相对侧面；两绝缘介质板分别固定于同一滑动装置上，并通过滑动装置在固定传输线的两侧面同步移动。

3.根据权利要求1所述的移相单元模块，其特征在于，所述阻抗变换部分是在绝缘介质板上的局部区域去除厚度方向上的部分材料形成的。

4.根据权利要求1所述的移相单元模块，其特征在于，所述固定传输线至少包括一段直线传输线。

5.根据权利要求1所述的移相单元模块，其特征在于，所述固定传输线为多段直线传输线依次相连形成的曲折传输线，所述曲折传输线包括多段直线传输线和连接传输线；所述多段直线传输线相互平行排列，沿绝缘介质板的移动方向延伸；所述多段直线传输线通过连接传输线依次首尾相连。

6.根据权利要求1所述的移相单元模块，其特征在于，所述阻抗变换部分有多个，且各阻抗变换部分的厚度不相等。

7.一种移相装置，其特征在于，包括多个权利要求1至6任一所述的移相单元模块，所述多个移相单元模块分布于同一平面上，各移相单元模块的固定传输线通过若干功率分配器相互电性连接；所述多个移相单元模块的绝缘介质板固定于同一滑动装置上，并通过滑动装置同步移动。

8.根据权利要求7所述的移相装置，其特征在于，所述多个移相单元模块的第一金属反射板是一体的、多个移相单元模块的第二金属反射板也是一体的，所述固定传输线和功率分配器蚀刻于同一PCB基板上，设置在固定传输线的侧面的绝缘介质板设置于PCB基板的侧面。

9.根据权利要求8所述的移相装置，其特征在于，所述第一金属反射板和PCB基板上设有限位滑槽，所述滑动装置从外部依次穿过第一金属反射板和PCB基板的限位滑槽，且与固定传输线侧面的绝缘介质板固定连接，用于在限位滑槽限定的始末位置之间，带动多个绝缘介质板在各自对应的固定传输线侧面同步移动，所述限位滑槽的开设位置使绝缘介质板在移动过程中仅与PCB基板上的固定传输线有交迭。

10.根据权利要求9所述的移相装置，其特征在于，所述滑动装置包括拉杆、拉杆导轨和多个插销，拉杆导轨固定于第一金属反射板背向PCB基板的一侧，所述拉杆可滑动地安装于拉杆导轨上；所述插销一端固定连接于拉杆上，另一端依次穿过第一金属反射板和PCB基板上的限位滑槽，并与分布于PCB基板侧面的绝缘介质板固定连接。

11.根据权利要求9所述的移相装置，其特征在于，所述功率分配器与第一金属反射板和第二金属反射板之间填充有低损耗微波介质材料。

12.一种制造移相单元模块的方法，其特征在于，包括：

在用于移相单元模块的绝缘介质板上的局部区域去除厚度方向上的部分材料，形成一阻抗变换部分，所述阻抗变换部分的厚度小于绝缘介质板其余部分的厚度。

13.根据权利要求12所述的方法，其特征在于，还包括：

将一固定传输线夹设于两绝缘介质板之间；

将所述绝缘介质板和固定传输线夹设于两金属反射板之间；

将两绝缘介质板固定连接于同一滑动装置上，以实现在固定传输线的两侧同步移动。

14.根据权利要求12所述的方法，其特征在于，还包括：

在固定传输线的一侧面设置一绝缘介质板；

将所述绝缘介质板和固定传输线夹设于两金属反射板之间；

将绝缘介质板固定连接于一滑动装置上，以实现在固定传输线的侧面移动。

15.根据权利要求12所述的方法，其特征在于，还包括，在绝缘介质板上的多个区域去除厚度方向上的部分材料，形成多个阻抗变换部分，所述多个阻抗变换部分的厚度不相等。

16.一种天线，其特征在于，包括权利要求7至11任一所述的移相装置以及若干个与所述移相装置相连的信号辐射单元。

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