CN103947037A - 宽带移相器和宽带波束赋性网络 - Google Patents
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Abstract
本发明实施例提供一种宽带移相器和宽带波束赋性网络，一种宽带移相器包括介质材料板、地板和微带传输线，所述地板和所述微带传输线分别位于所述介质材料板的两侧，所述地板接地，所述微带传输线的两端分别为所述宽带移相器的输入端口和输出端口；所述微带传输线上包括至少一个开路枝节或者短路枝节。本发明实施例提供的宽带移相器和宽带波束赋性网络，用于实现移相器的宽带化和波束赋性网络的宽带化。
Description
技术领域
本发明实施例涉及无线通信技术，尤其涉及一种宽带移相器和宽带波束赋性网络。
背景技术
随着无线通信技术的发展，无线通信设备需要传输越来越多的数据，因此需要无线通信设备在更宽的带宽下工作，相应地，无线通信设备的天线也需要支持更宽的带宽。
现有技术的无线通信设备如基站中，都是采用多波束赋形馈电网络对天线进行馈电，多波束赋性馈电网络由移相器和混合正交网络组成。现有技术的多波束赋性馈电网络中的移相器为窄频移相器，导致多波束赋性馈电网络呈现窄频特征，从而使无线通信设备的天线也呈现窄频特性。
发明内容
本发明实施例提供一种宽带移相器和宽带波束赋性网络，用于实现移相器的宽带化和波束赋性网络的宽带化。
第一方面提供一种宽带移相器，包括介质材料板、地板和微带传输线，
所述地板和所述微带传输线分别位于所述介质材料板的两侧，所述地板接地，所述微带传输线的两端分别为所述宽带移相器的输入端口和输出端口；
所述微带传输线上包括至少一个开路枝节或者短路枝节。
在第一方面第一种可能的实现方式中所述微带传输线上包括两个开路枝节或者短路枝节。
结合第一方面或第一方面第一种可能的实现方式，在第二种可能的实现方式中，所述开路枝节或者短路枝节呈“L”形。
结合第一方面至第一方面第二种可能的实现方式中任一种可能的实现方式，在第三种可能的实现方式中，所述开路枝节的长度为二分之一波长。
结合第一方面至第一方面第二种可能的实现方式中任一种可能的实现方式，在第四种可能的实现方式中，所述短路枝节的长度为四分之一波长。
第二方面提供一种宽带波束赋性网络，包括如第一方面任一种可能的实现方式所述的宽带移相器和宽带正交混合网络。
本发明实施例提供的宽带移相器和宽带波束赋性网络，通过在均匀微带传输线中加入短路枝节或者开路枝节，使微带传输线中的相位变化规律产生变化，从而实现了在较宽的频带内进行移相的目的。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作一简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为传统的微带移相器的频率-相位曲线图；
图2A与图2B为本发明实施例提供的宽带移相器实施例一的结构示意图；
图2C为与图2B所示宽带移相器对比的一段50Ω均匀传输微带线；
图2D为图2B所示的宽带移相器与图2C所示的微带传输线的频率-相位差曲线图；
图2E为本发明实施例提供的宽带移相器实施例一的另一种结构示意图；
图3A至图3C为本发明实施例提供的宽带移相器实施例二的结构示意图；
图3D为图3A所示宽带移相器与图3B所示宽带移相器、图3A所示宽带移相器与图3C所示微带线的频率-相位差曲线图；
图4为本发明实施例提供的宽带波束赋性网络的结构示意图；
图5为图4所示宽带波束赋性网络的频率-衰减曲线图；
图6为图4所示宽带波束赋性网络的频率-相位曲线图。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
本发明实施例提供的宽带移相器是基于微带线设计的移相器，在传统的移相器设计思想中，一条支路为50Ω均匀传输线，另一支路具有非线性相位，通过改变50Ω均匀传输线的长度，则两条支路相比可以得到一定的相移量。这种传统的移相器在中心频率时性能较好，但是相移性能越远离中心频率误差越大，从而不具备宽频带特性。
无线通信系统中，元件的特性阻抗一般均为50Ω，因此，电磁波信号在一条特性阻抗为50Ω的均匀传输线中的相位和衰减等参数都是线性变化的，例如一段长度为λ/2的50Ω均匀传输线在f＝c/λ的频点可以起到180°的移相作用，在该频点附近的频段内相位差随频率线性变化。因此传统移相器通过改变50Ω均匀传输线的长度的方法可以达到移相的目的而无法实现宽带化。
图1为传统的微带移相器的频率-相位曲线图，该移相器工作的中心频率为2.2GHz，曲线11为设计移相值为-67.5°移相的支路的频率-相位曲线图，曲线12为设计移相值为-22.5°移相的支路的频率-相位曲线图。从图1中可以看出，在中心频率为2.2GHz处，该移相器均可以达到设计的移相幅度，但该移相器的移相性能随着偏离中心频率而逐渐恶化。由曲线11可得，当频率为1.7GHz时，设计移相值为-67.5°的移相支路移相值为-52.5°左右，当频率为2.7GHz时，设计移相值为-67.5°的移相支路移相值为-82.5°左右，在1.7GHz到2.7GHz频带范围内，移相值峰-峰误差达到30°。由曲线12可得，当频率为1.7GHz时，设计移相值为-22.5°的移相支路移相值为-17.5°左右，当频率为2.7GHz时，设计移相值为-67.5°的移相支路移相值为-27.5°左右，在1.7GHz到2.7GHz频带范围内，移相值峰-峰误差也达到10°。由此可见，传统的微带移相器不具备宽频带性能，因此使用传统的微带移相器组成的波束赋性网络也不具备宽频带性能。
图2A与图2B为本发明实施例提供的宽带移相器实施例一的结构示意图，其中图2A为本发明实施例提供的宽带移相器的剖面图，如图2A所示，本发明实施例提供的宽带移相器为微带线结构，包括介质材料板21、地板22和微带线23，地板22和微带线23分别位于介质材料板21的两侧，这样形成了微带线结构。介质材料板21的材质不受限制，其介电常数也不受限制。为了形成微带线结构，地板22需要覆盖介质材料板21的一侧并接地。微带线23的具体结构如图2B所示。
由于电磁波信号的相位为360°循环，因此移相器的移相值是一个相对的概念，为了说明图2B所示宽带移相器，需要引入与其进行对比的一段微带线。图2C为与图2B所示宽带移相器对比的一段50Ω均匀传输微带线，在通信系统的射频部分中，一般均为50Ω传输系统，图2C示出一段50Ω均匀传输微带线，其剖面结构如图2A所示，微带线201的两端分别为该微带传输线的输入端口202和输出端口203，根据互易理论微带线201的输入端口202和输出端口203可以互换。图2B所示的宽带移相器中，包括微带线204，微带线204的两端分别为该宽带移相器的输入端口205和输出端口206，根据互易理论其同样可以互换。在微带线204中间设置有一短路枝节207，短路枝节207为一段微带线，短路枝节207的一端与微带线204相连、另一端接地。
短路枝节207与微带线204呈“T”形结构，在微带线204上加入短路枝节207可以在微带线204上产生不连续性，从而可以改变从输入端口205到输出端口206的相位变化规律，使从输入端口205到输出端口206的相位变化规律变缓慢，从而达到在较宽的频带上起到移相的目的。通过调整短路枝节207的长度和线宽，可以改变从输入端口205到输出端口206的相位值。图2B所示的宽带移相器与图2C所示的微带线相比，实现了-45°的移相。
图2D为图2B所示的宽带移相器与图2C所示的微带传输线的频率-相位差曲线图，图2B所示宽带移相器工作的中心频率为2.2GHz，图中曲线211表示从输入端口205到输出端口206的相位与从输入端口202到输出端口203的相位之差随频率变化的曲线图。从图中曲线211可以看出，图2B所示的宽带移相器在1.7GHz到2.7GHz频带内，实现了-45°的移相，并且移相峰-峰误差小于1.5°。由此可见，图2B所示宽带移相器实现了在1.7GHz到2.7GHz频带内-45°的移相。
图2B中示出的短路枝节207为“L”形的一段微带线，但短路枝节207的形状不以此为限，例如短路枝节207还可以是垂直于微带线204的一段微带线，或者其他形状。但图2B所示的“L”形短路枝节207节约了宽带移相器的纵向尺寸，从而减小了整个宽带移相器的尺寸，因此在满足电气性能的前提下，优选图2B所示的“L”形短路枝节。
另外，如图2B所示的宽带移相器，为了保证其匹配性能，短路枝节207的长度优选为λ/4。
图2E为本发明实施例提供的宽带移相器实施例一的另一种结构示意图，如图2E所示，图2E与图2B所示的宽带移相器的区别在于，在微带线204中间设置开路枝节208，开路枝节208为一段微带线，开路枝节208的一端与微带线204相连、另一端为自由端。开路枝节208与微带线204呈“T”形结构，在微带线204上加入开路枝节208同样可以在微带线204上产生不连续性，从而可以改变从输入端口205到输出端口206的相位变化规律，使从输入端口205到输出端口206的相位变化规律变缓慢，从而达到在较宽的频带上起到移相的目的。通过调整开路枝节208的长度和线宽，可以改变从输入端口205到输出端口206的相位值。图2E中示出的开路枝节208为“L”形的一段微带线，但开路枝节208的形状不以此为限，例如开路枝节208还可以是垂直于微带线204的一段微带线，或者其他形状。但图2E所示的“L”形开路枝节208节约了宽带移相器的纵向尺寸，从而减小了整个宽带移相器的尺寸，因此在满足电气性能的前提下，优选图2E所示的“L”形开路枝节。另外，如图2E所示的宽带移相器，为了保证其匹配性能，开路枝节208的长度优选为λ/2。
本实施例提供的宽带移相器，通过在均匀微带传输线中加入短路枝节或者开路枝节，使微带传输线中的相位变化规律产生变化，从而实现了在较宽的频带内进行移相的目的。
图3A至图3C为本发明实施例提供的宽带移相器实施例二的结构示意图，图3A至图3C的剖面结构如图2A所示。
图3A示出为本发明实施例所提供的另一种宽带移相器，如图3A所示，该宽带移相器包括微带线301，微带线301的两端分别为该宽带移相器的输入端口302和输出端口303，根据互易理论其可以互换。在微带线301中间设置有短路枝节304和短路枝节305，短路枝节204和短路枝节305分别为一段微带线，短路枝节304和短路枝节305均有一端与微带线301相连、另一端接地。
短路枝节304和短路枝节305与微带线301均呈“T”形结构，在微带线301上加入短路枝节304和短路枝节305可以在微带线301上产生不连续性，从而可以改变从输入端口302到输出端口303的相位变化规律，使从输入端口302到输出端口303的相位变化规律变缓慢，从而达到在较宽的频带上起到移相的目的。通过调整短路枝节304和短路枝节305的长度和线宽，可以改变从输入端口302到输出端口303的相位值。通过将短路枝节304和短路枝节305设置为不同的长度和线宽，可以使短路枝节304和短路枝节305分别产生不同的移相值，整个宽带移相器的移相值为短路枝节304和短路枝节305产生的移相值之和。
图3B所示的宽带移相器包括微带线306，微带线306的两端分别为该宽带移相器的输入端口307和输出端口308，根据互易理论其可以互换。在微带线306中间设置有短路枝节309，短路枝节209为一段微带线，短路枝节309的一端与微带线306相连、另一端接地。图3B所示宽带移相器与图2B所示宽带移相器的结构相同，均为在一段微带线上设置一个短路枝节。
图3C为与图3A所示宽带移相器对比的一段50Ω均匀传输微带线，其包括微带线310，微带线310的两端分别为输入端口311和输出端口312。
由于移相器对电磁波信号进行移相是一个相对的概念，因此，图3A所示宽带移相器需要与图3B所示宽带移相器和图3C所示微带线共同使用。图3B所示宽带移相器中的短路枝节309与图3A所示宽带移相器中的短路枝节305相同，但由于图3A所示宽带移相器中还存在短路枝节304，因此为了保证图3B所示宽带移相器与图3B所示宽带移相器产生的插损相同，需要将图3B所示宽带移相器的微带线306进行适当延长，使其与图3A所示宽带移相器产生的插损相同，并且使图3A所示宽带移相器相对于图3B所示宽带移相器的相位差为短路枝节304所产生的相位差。同样地，为了保证图3A所示宽带移相器与图3C所示微带线所产生的插损相同，需要将图3C中微带线310的长度设置为与图3A所示宽带移相器相同，并且使图3A所示宽带移相器相对于图3C所示微带线的相位差为短路枝节304和短路枝节305所产生的相位差之和。
这样可以将图3A所示宽带移相器、图3B所示宽带移相器和图3C所示微带线同时使用，将上述3种结构设置在系统的不同支路上，使电磁波信号经过不同的支路后具有相同的信号强度和不同的相位值。由此可见，本实施例提供的宽带移相器适合用于波束赋性网络。
在图3A中，短路枝节304产生-22.5°的移相而短路枝节305产生-45°的移相，即图3A所示宽带移相器与图3C所示微带线相比，产生了-67.5°的移相。图3B中，短路枝节309产生-45°的移相，即图3A所示宽带移相器与图3B所示宽带移相器相比，产生-22.5°的移相；图3B所示宽带移相器与图3C所示微带线相比，产生-45°的移相。
图3D为图3A所示宽带移相器与图3B所示宽带移相器、图3A所示宽带移相器与图3C所示微带线的频率-相位差曲线图，图3A和图3B所示宽带移相器工作的中心频率为2.2GHz，图中曲线321表示从输入端口307到输出端口308的相位与从输入端口302到输出端口303的相位之差随频率变化的曲线图，曲线322表示从输入端口311到输出端口312的相位与从输入端口302到输出端口303的相位之差随频率变化的曲线图。从图中曲线321可以看出，图3A所示的宽带移相器在1.7GHz到2.7GHz频带内，与图3B所示宽带移相器相比，实现了-22.5°的移相，并且移相峰-峰误差小于3°；从图中曲线322可以看出，图3A所示的宽带移相器在1.7GHz到2.7GHz频带内，与图3C所示微带线相比，实现了-67.5°的移相，并且移相峰-峰误差小于4°。
图3A和图3B中示出的短路枝节304、短路枝节305和短路枝节309均为“L”形的一段微带线，但短路枝节304、短路枝节305和短路枝节309的形状不以此为限，例如短路枝节304、短路枝节305和短路枝节309还可以是垂直于微带线301或微带线306的一段微带线，或者其他形状。但图3A和图3B中所示的“L”形短路枝节304、短路枝节305和短路枝节309节约了宽带移相器的纵向尺寸，从而减小了整个宽带移相器的尺寸，因此在满足电气性能的前提下，优选图3A和图3B所示的“L”形短路枝节。
另外，如图3A和图3B所示的宽带移相器，为了保证其匹配性能，短路枝节304、短路枝节305和短路枝节309的长度优选为λ/4。
进一步地，图3A和图3B中所示的宽带移相器中，短路枝节304、短路枝节305和短路枝节309还可以采用开路枝节实现，开路枝节的实现方法和原理与图2E中类似，此处不再赘述。需要说明的是，为了保证匹配性能，开路枝节的长度优选为λ/2。
进一步地，图3A所示的宽带移相器采用了两个短路枝节相串联的形式，但本发明提供的宽带移相器还可以采用一个短路枝节与一个开路枝节串联的形式实现。
本发明实施例提供的宽带移相器不限于上述实施例中提供的在一段微带线上设置一个短路或开路枝节的方式，也不限于在一段微带线上设置两个短路或开路枝节的方式。采用与上述实施例相同的思路，在一段微带线上设置两个以上的短路或开路枝节，同样可以实现宽带移相，并且可以提供多个移相角度，由于其实现原理与上述实施例类似，此处不再赘述。
图4为本发明实施例提供的宽带波束赋性网络的结构示意图，该宽带波束赋性网络为微带线结构，其剖面结构仍如图2A所示。如图4所示，该宽带波束赋性网络包括宽带移相器、微带线与正交混合网络。其中，3dB耦合器41可以为例如90°电桥的正交混合网络，移相器42至移相器45可以采用如图3A和图3B所示的宽带移相器实现，与移相器42至移相器45同一层的连接3dB耦合器41的微带线46可以采用图3C所示的微带线实现，以保证与移相器42至移相器45产生的插入损耗一致，并且使移相器42与移相器45相对于微带线46产生-67.5°的移相，使移相器43与移相器44相对于微带线46产生-22.5°的移相；移相器47至移相器50可以采用如图2B所示的宽带移相器实现，与移相器47至移相器50同一层的连接3dB耦合器41的微带线51可以采用图2C所示的微带线实现，以保证与移相器47至移相器50产生的插入损耗一致，并且使移相器47至移相器50相对于微带线51产生-45°的移相。端口401至端口408为输入端口，端口409至端口416为输出端口。
图5为图4所示宽带波束赋性网络的频率-衰减曲线图，图6为图4所示宽带波束赋性网络的频率-相位曲线图。参照图5，其中曲线501至曲线508分别为端口401与端口409至端口416之间的频率-衰减曲线。由于从端口401到端口409至端口416分别需要通过不同的路径，通过采用本发明实施例提供的宽带移相器，可以使每条路径的衰减值相等，从图5中可以看出，各条路径的衰减峰-峰差值小于0.1dB。
再参照图6，曲线601至曲线608分别为端口401与端口409至端口416之间的频率-相位变化曲线。从图6中可以看出，从端口401到端口409至416虽然经历了不同的路径，但在1.7GHz至2.7GHz频段范围内，其相位变化趋势基本相同，实现了宽带波束赋性网络的宽带化。
图4中仅示出采用本发明实施例提供的宽带移相器实现的8×8端口的宽带波束赋性网络，但本发明不以此为限，采用本发明实施例提供的宽带移相器可以实现任意端口的宽带波束赋性网络。
最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换。因此，本发明的保护范围应以权利要求的保护范围为准。
Claims (6)
1.一种宽带移相器，包括介质材料板、地板和微带传输线，其特征在于：
所述地板和所述微带传输线分别位于所述介质材料板的两侧，所述地板接地，所述微带传输线的两端分别为所述宽带移相器的输入端口和输出端口；
所述微带传输线上包括至少一个开路枝节或者短路枝节。
2.根据权利要求1所示的宽带移相器，其特征在于，所述微带传输线上包括两个开路枝节或者短路枝节。
3.根据权利要求1或2所示的宽带移相器，其特征在于，所述开路枝节或者短路枝节呈“L”形。
4.根据权利要求1至3任一项所述的宽带移相器，其特征在于，所述开路枝节的长度为二分之一波长。
5.根据权利要求1至3任一项所述的宽带移相器，其特征在于，所述短路枝节的长度为四分之一波长。
6.一种宽带波束赋性网络，其特征在于，包括如权利要求1～5任一项所述的宽带移相器和宽带正交混合网络。
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