CN103985966A - 宽频介质移相装置 - Google Patents
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Abstract
本发明公开一种宽频介质移相装置，采用介质滑动实现相位的改变。该装置包括上、下形成中空夹层的介质板，置于介质夹层中的导体主馈线以及容置介质和馈线的金属腔体；所述介质板在外力作用下可以沿与所述导体主馈线平行的方向拉动，从而改变输入端到输出端的相位。采用本发明的移相装置三阶互调性能优良，工作频带宽，在1710-2690MHz内均保持良好的电气性能；该介质移相装置构成的天线馈电网络变化灵活，组成馈电网络后天线电气性能优良。
Description
技术领域
本发明涉及移动通信基站天线技术，涉及到用于改变信号相位的一种宽频介质移相装置。
背景技术
移相器是基站天线实现电子下倾的设备，是电调天线的关键部件之一。该器件通过对天线辐射元的相位进行调节实现波束下倾，方便通信网络的覆盖优化。移相器的性能优劣直接决定了电调天线的性能。移动通信技术迅速发展，对移相器的发展提出了更高的要求，比如工作频段，互调性能，加工工艺等。
申请号200910037246.5公开了一种介质移加载的移相模块，通过三种不同的介质块沿着与带状线垂直的方向滑动，实现相位变化；上述移相器的不足之处在于工作频段窄，仅工作1710-2200MHz的频带，专利对移相器2200-2690MHz频段的电气性能没有阐述。
申请号2011100757.X公开了一种同轴介质移相系统，通过拖动同轴介质元件改变相位；上述移相器实现匹配依靠改变圆柱形介质的外形实现，对加工提出更高的要求。
发明内容
本发明提供一种结构简单，性能优良，易于装配和使用的介质移相装置，以及由该移相装置组成的多路移相装置的集合。
一种宽频介质移相装置，包括腔体101、介质板102、主馈线一201、主馈线二202、输入端口A0、输出端口B0、输入口馈线105、输出口馈线106；介质板102、主馈线一201、主馈线二202均位于腔体101内，输入口馈线105、主馈线一201、主馈线二202、输出口馈线106依次连接为一个整体；介质板102内设置有中空夹层30，主馈线一201位于中空夹层30内，主馈线二202处于空气介质中；介质板102沿着与主馈线一201平行的方向在腔体101内相对主馈线一201滑动；输入端口A0和输出端口B0分别连接射频同轴电缆。
所述介质板102包括上介质板102-1和下介质板102-2，上介质板102-1和下介质板102-2之间形成中空夹层30，上介质板102-1和下介质板102-2相对主馈线一201同步滑动。
所述腔体101(与输入口A0距离较近的)一端设置有开口107，介质板102沿着与主馈线一201平行的方向在腔体101内相对主馈线一201滑动时，介质板102的一端由开口107伸出。
所述介质板上开设有两个形状和大小均不相同的通孔。
所述的通孔包括位于上介质板102-1上的一个开孔以及与之位置相对应的位于下介质板102-2上的一个开孔。
所述的通孔包括两个矩形孔或者两个圆形孔或者两个椭圆形孔；所述两个矩形孔的长度和宽度不相同，所述两个圆形孔的半径不相同，所述两个椭圆形的长轴和短轴不相同。
所述与输出口连接的主馈线二202的宽度为逐渐变化的，主馈线二202的长度小于移相器工作波长λ的0.5倍。
所述主馈线二202或者由至少两节以上的宽度不同的馈线连接而成。
所述主馈线一201与输入口馈线105连接的一端采用折弯处理。
两个以上的本装置通过功分器级联形成移相装置的集合，所述移相装置的集合之间采用平铺或者层叠方式组合布置。
与现有技术相比，本发明结构简单，配置天线辐射元组阵形式灵活；工作频带为1710-2690MHz，相对带宽达45％，在DCS1800,TD-SCDMA,WCDMA,CDMA2000,LTE等频段均表现良好的电气特性，适合多种频段、多种制式电调天线。
附图说明
图1为本发明移相装置的俯视原理图；
图2为本发明移相装置的剖视图；
图3为本发明移相装置的主馈线一和主馈线二和介质板连接示意图；
图4为本发明介质板几种典型开孔的示意图；
图5为本发明中主馈线二202截面宽度渐变的结构示意图；
图6为本发明第一实施例中初始状态A实测电压驻波比图；
图7为本发明第一实施例中初始状态A实测传输相位图；
图8为本发明第一实施例中状态B实测电压驻波比图；
图9为本发明第一实施例中状态B实测传输相位图；
图10为本发明第一实施例中状态C实测电压驻波比图；
图11为本发明第一实施例中状态C实测传输相位图；
图12为本发明的介质移相装置与天线辐射单元结合时的原理图；
图13为本发明第二实施例的移相装置的结构示意图；
图14为本发明第二实施例的移相装置的原理图；
图15为实现移相的原理图；
其中，101—腔体，102—介质板，102-1—上介质板，102-2—下介质板，103—通孔，104—通孔，A0-输入端口，B0-输出端口，105—输入口馈线，106—输出口馈线；201—主馈线一、202—主馈线二，30—中空夹层，40—射频同轴电缆，A1至A5—辐射元，P1至P4—介质移相装置，N1，N2—输入端，D1—一分二的功分器，D2—一分三的功分器，D3—一分二的功分器，D01—一分二功分器，D02—一分二功分器,D03—一分二功分器。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明例中的技术方案进行完整详细得阐述。显然，所描述的实施例仅仅是本发明的一部分实施例，而不是全部实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员，没有做出创造性劳动前提下，所获得的其他实施例，都属于本发明保护的范围。
图1为本发明的第一实施例的示意图。本实施例提供的移相装置，包括：腔体101、主馈线一201、主馈线二202，介质板102、输入口馈线105、输出口馈线106；输出口馈线106与至少一个天线辐射单元连接。
介质板102由一对平行且以主馈线一201和主馈线二202对称以形成一个中空夹层30的上介质板102-1和下介质板102-2组成。介质板的形式不拘泥于两个相分离的上介质板和下介质板，也可以是一体化的矩形板材，在板材内设计一个矩形槽实现等效的功能。
主馈线一201与输入口馈线105相连，主馈线二202与输出口馈线106相连。主馈线一201和主馈线二202是一个整体，但是两者的状态不同；主馈线二202是一个宽度渐变的结构，始终处于空气介质中，主馈线一201是介质板中空夹层夹住的带线；介质板在主馈线一201上左右滑动，但是介质板不在主馈线二202上滑动。
介质板102在拉动过程中，实现从输入口A0到输出口B0的相位变化。介质板102滑动过程中，主馈线一201中有一部分从介质板变成空气。根据微波技术原理，在介质板和在空气中信号流过相同的长度，相位的变化不同；
状态一：假设主馈线一201处于介质中的长度为L1,处于空气中的长度为L2；
状态二：假设介质板往外拉动长度为ΔL,那么L1的长度为L1-ΔL，L2的长度变为L2+ΔL；
如图15所示，从状态一到状态二，信号经过主馈线一201空白部分的相位不变；长度为ΔL的主馈线一201从介质板覆盖到空气覆盖，处于介质板中时，信号流经ΔL(图15中所示阴影部分)时，发生的相位变化：处于空气中时，发生的相位变化：两种状态下，信号的相位变化不同，有一个差值：λ0为真空中的波长，εr为介质板的相对介电常数。因此，可以实施的最大移相量和可以提供给介质板滑动的馈线长度L成正比。
主馈线二202(带状线)处于空气中，其特性阻抗为Z0,输入口馈线105处于空气中，其特性阻抗为Z0,主馈线一201处于介质板102的中空夹层30中，其特性阻抗与输入口馈线105处阻抗保持一致。如图3，在介质板102拉动过程中，主馈线一201有一部分仍处在介质中空夹层30中，其特性阻抗为Z0；另一部分暴露在空气中，其特性阻抗为Z1。Z0和Z1之间阻抗不匹配。为了解决这个问题，本发明采取了在介质板上开设分布不均匀的通孔，通孔103和通孔104可以实现介质板在开通孔处介电常数的变化，进而渐进改变该处主馈线的阻抗，实现宽带匹配。本发明采取不均匀分布孔，例如在通孔103和通孔104为方形孔时候，通孔的宽度和长度不等；或者通孔103和通孔104为圆形孔时，通孔的直径不同；不均匀开孔可以使介质板的介电常数实现近似的渐变变化，相应地处于中空夹层30空间的馈线的阻抗也处于渐变的状态中，实现了Z0和Z1之间的多级“动态宽带匹配”：介质板在滑动过程中，由通孔构成的匹配段处于运动状态之中，与夹在介质中空夹层中的带状线阻抗Z0和暴露在空气中的带状线阻抗Z1进行动态宽带匹配。通孔103和通孔104可以是矩形孔，也可以是圆孔、椭圆孔，也不排除不规则形状的采用。
通孔103和通孔104的长度，宽度或者半径及孔间距可以通过射频仿真软件调整确定。
图4给出了介质板上几种典型的开孔形式。
输出口馈线106和同轴电缆相连，其特性阻抗为Z0。
主馈线一201一部分暴露在空气中，特性阻抗为Z1，从Z1再到输出口106，也就是Z1到Z0再进行匹配。本发明采用截面为渐变结构的主馈线二202实现。渐变馈线202的长度小于0.5λ。也可以采用多级呈梯形状的匹配段来实现，同用两节匹配段相比，使用截面宽度渐变的方法缩短主馈线二202的尺寸，从而减小移相装置的整体尺寸。
主馈线一201一部分暴露在空气中，特性阻抗为Z1，从Z1再到输出口馈线106，也就是Z1到Z0需要再进行匹配。本发明采用截面为渐变结构的主馈线二202实现。渐变主馈线二202的长度小于0.5λ。也可以采用两节或者两节以上宽度不同的馈线来实现，同用两节馈线相比，使用截面宽度渐变的方法缩短主馈线二202的尺寸，从而减小移相装置的整体尺寸。
结合图1至图5，选取试验结果说明本发明性能优异之处：
1.当介质板处于如图1所示的位置时，即为初始状态A,记录此时驻波比和相位如图6和图7所示。
2.当介质板往外拉出40mm时候，设定为状态B,此时驻波比和和相位图如图8和图9所示。
3.当介质板往外拉出80mm时候，设定为状态C,此时驻波比和和相位图如图10和图11所示。
本实施例试验结果说明了该介质移相装置具有1710-2690MHz达45％的相对阻抗带宽和优良的相位线性度(即随着频率的升高改变的相位量和频率成正比关系，从而可以保证电调天线在传动结构移动相同距离的情况下，电调天线在各频点保持下倾角的一致性)，本发明性能优良。
图12示出一含5个辐射元A1-A5的天线阵列，采用4个独立的介质移相装置。介质移相装置分别标识为P1至P4。信号由输入端N1首先进入一分三的功分器D2，一路进入移相器P2，通过一分二的功分器D1连接辐射元A1，A2；其中A1经过两个移相装置P1和P2，A2经过一个移相装置P1；同理，A4经过一个移相装置，A5经过两个移相装置；中间单元A3相位不改变。很容易得出5个辐射元在移相装置的介质板滑动过程中各自的相位变化为：2Δ:Δ:0:-Δ:-2Δ(Δ是相邻单元的相位差，单位是弧度；根据天线原理，电调天线实现波束下倾的时候，相邻辐射元的相位差Δ＝2*pi*d*sinθ/λ。例如：假设一个5单元的天线，实现角度为θ的电下倾，那么相邻单元相位差Δ＝2*pi*d*sinθ/λ，pi为弧度，d是相邻辐射元的间距，λ是工作波长；中心单元相位是0，那么旁边的两个单元一个相位是Δ，另一个是-Δ；最旁边的是2Δ和-2Δ；综合起来就是2Δ：Δ：0：-Δ：-2Δ；)，配合功分器的功率分配，阵列能够良好地实现波束赋形。申请号201310111511.6提出的移相系统，由一条主馈线分至各端口，在宽频段设计中很难保证各输出端口功率分配和相位的稳定性，影响赋形效果。
图13为本发明的实施例二。四个单独集成在一起的移相装置通过功分器级联实现相位的等差变化；图14为图13的原理图。P1，P2为上层移相装置，P3,P4为下层移相装置，图14中，“Δ”为一个移相装置提供的移相量。可以看出，通过级联后，各输出端口相位变化为4Δ:3Δ:2Δ:Δ；另一组集成的移相装置反向滑动介质板，实现-4Δ:-3Δ:-2Δ:-Δ的相位变化；两组结合就能实现对10个辐射元组成的阵列的波束赋形.
需要说明的是，本实施例提供的移相装置还包括外置腔体101，外置腔体可以围在主馈线一201、主馈线二202，输入口馈线105，输出口馈线106，介质板102的外侧。外置腔体可以容纳并保护移相装置中的各部件。
移相量的大小与介质板的介电常数有关，本发明可选取高介电常数的介质，最好有较低的损耗正切值，所能得到的移相量较大；或者在相同移相量的状态下，可以减小移相装置的体积，介质板的相对介电常数εr>1.0。
显然，本领域的技术人员可以对本发明实施例进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围。这样，倘若本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则本发明也意图包含这些改动和变型在内。
Claims (10)
1.一种宽频介质移相装置，其特征在于：包括腔体（101）、介质板（102）、主馈线一（201）、主馈线二（202）、输入端口（A0）、输出端口（B0）、输入口馈线（105）、输出口馈线（106）；介质板（102）、主馈线一（201）、主馈线二（202）均位于腔体（101）内，输入口馈线（105）、主馈线一（201）、主馈线二（202）、输出口馈线（106）依次连接为一个整体；介质板（102）内设置有中空夹层（30），主馈线一（201）位于中空夹层（30）内，主馈线二（202）处于空气介质中；介质板（102）沿着与主馈线一（201）平行的方向在腔体（101）内相对主馈线二（201）滑动；输入端口（A0）和输出端口（B0）分别连接射频同轴电缆。
2.根据权利要求1所述的一种宽频介质移相装置， 其特征在于：所述介质板（102）包括上介质板（102-1）和下介质板（102-2），上介质板（102-1）和下介质板（102-2）之间形成中空夹层（30）上介质板（102-1）和下介质板（102-2）相对主馈线一（201）同步滑动。
3.根据权利要求1所述的一种宽频介质移相装置，其特征在于：所述腔体（101）一端设置有开口（107），介质板（102）沿着与主馈线一（201）平行的方向在腔体（101）内相对主馈线一（201）滑动时，介质板（102）的一端由开口（107）伸出。
4.根据权利要求1所述的一种宽频介质移相装置，其特征在于：所述介质板上开设有两个形状和大小均不相同的通孔。
5.根据权利要求4所述的一种宽频介质移相装置，其特征在于：所述的通孔包括位于上介质板（102-1）上的一个开孔以及与之位置相对应的位于下介质板（102-2）上的一个开孔。
6.根据权利要求4或者5所述的一种宽频介质移相装置，其特征在于：所述的通孔包括两个矩形孔或者两个圆形孔或者两个椭圆形孔；所述矩形孔的长度和宽度不相同，所述两个圆形孔的半径不相同，所述两个椭圆形的长轴和短轴不相同。
7.根据权利要求1所述的一种宽频介质移相装置，其特征在于：所述与输出口馈线（106）连接的主馈线二（202）的宽度为逐渐变化的，主馈线二（202）的长度小于移相器工作波长λ的0.5倍。
8.根据权利要求1所述的一种宽频介质移相装置，其特征在于：所述主馈线二（202）由至少两节以上的宽度不同的馈线连接而成。
9.根据权利要求1所述的一种宽频介质移相装置，其特征在于：所述主馈线一（201）与输入口馈线（105）连接的一端采用折弯处理。
10.根据权利要求1所述的一种宽频介质移相装置，其特征在于：两个以上
的本装置通过功分器级联形成移相装置的集合，所述移相装置的集合之间采
用平铺或者层叠方式组合布置。
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