CN104577263A

CN104577263A - 基于耦合线结构的新型多路宽带差分移相器及其设计方法

Info

Publication number: CN104577263A
Application number: CN201510022801.2A
Authority: CN
Inventors: 郑少勇; 蒲星宇; 李元新; 龙云亮
Original assignee: SYSU CMU Shunde International Joint Research Institute
Current assignee: SYSU CMU Shunde International Joint Research Institute
Priority date: 2015-01-16
Filing date: 2015-01-16
Publication date: 2015-04-29

Abstract

本发明涉及一种基于耦合线结构的新型多路宽带差分移相器及其设计方法，其结构包括从上至下依次排布的三层结构，其中，第一层为设有参考线和延迟线的基本单元，第二层为基板，第三层为金属地层；所述参考线和延迟线的长度为中心频率对应波长的四分之一，以便在参考线和延迟线提供相同的相位延迟。本发明首次提出了一种仅使用一个参考线实现多个差分相位的移相器，避免了传统无源差分移相器在多路应用中结构复杂，尺寸大的缺点，适合于相位天线阵，波束成形等无线通信系统的应用。

Description

基于耦合线结构的新型多路宽带差分移相器及其设计方法

技术领域

本发明涉及微波、毫米波通信中使用的差分移相器，特别涉及一种在多路通信应用中同时实现多种相位输出的微带差分移相器（基于耦合线结构的新型多路宽带差分移相器），以及基于耦合线结构的新型多路宽带差分移相器的设计方法。

背景技术

差分移相器是广泛应用于微波通信、雷达和测量系统的一种无源器件。其结构通常包括参考线和延迟线，两个路径在一定带宽上可以保持恒定的相位差，从而在保持信号幅度特性不变的情况下实现不同的相位输出。

目前实现差分移相器的方法主要有以下几种：

一、基于经典的Schiffman结构构造宽带差分移相器。Schiffman结构的参考线通常是50 ?传输线，延迟线为一边相连的耦合线结构。基于该结构进行改进通常可以在较宽的带宽上实现较大的角度范围，

二、通过加载并联开路/短路枝节构造宽带差分移相器。其方法是在延迟线上加载并联开路/短路枝节，使其相位输出斜率与参考线一致。

三、基于耦合线结构构造宽带差分移相器。如Amin M. Abbosh通过互相耦合的椭圆微带贴片构造宽带差分移相器。

然而，以上提出的结构面临一个共同的缺点：在多路多相位应用环境中，针对不同的输出相位差，移相器的参考线每次都必须进行修改以符合要求，这极大地限制了器件的通用性，并且需要复杂的级联网络才能实现，而电路网络的增多又会导致电路回波损耗的增大和尺寸的增加，致使电路性能下降。

可见，变化的参考线是导致差分移相器高设计复杂度和大尺寸的关键因素。因此针对多路多相位应用需求，我们需要设计具有统一参考线结构的移相器来更好地满足要求。

发明内容

本发明的目的在于克服上述现有技术结构中存在的不足，而提供一种结构简单、合理，能同时实现多个差分相位且具有通用参考线的基于耦合线结构的新型多路宽带差分移相器。

本发明的目的是这样实现的：

一种基于耦合线结构的新型多路宽带差分移相器，其特征是，包括从上至下依次排布的三层结构，其中，第一层为设有参考线和延迟线的基本单元，第二层为基板，第三层为金属地层；所述参考线和延迟线的长度为中心频率对应波长的四分之一，以便在参考线和延迟线提供相同的相位延迟。其中，参考线和延迟线均为由两条微带线构成的级联耦合线，参考线和延迟线的每条微带线均采用四段不等宽的结构。上述结构可通过改变级联耦合线的耦合缝隙以及级联耦合线对应的每条微带线的每一段来调整耦合强度，以保证不同的相位输出时保持宽频带特性。

本发明的目的还可以采用以下技术措施解决：

作为更具体的一种方案，所述构成参考线和延迟线的级联耦合线的结构一致，级联耦合线的每条微带线的每一段长度、耦合缝隙相等，微带线的每一段长度均为中心频率对应波长的十六分之一，级联耦合线的两条微带线成中心对称关系。

所述延迟线的级联耦合线两端拼接有用于提供参考线和延迟线之间的差分相位的传输线，两端的传输线分别设置在延迟线的两条微带线上、且其宽度相等和长度相等，传输线对应电长度为需要实现的相位差在中心频率处所对应的电长度的一半。也就是说，延迟线结构与参考线单元相比，基本结构一致（宽度等具体参数不同），但多出了两段传输线。所述传输线为50 ?传输线。所述50 ?传输线长度可调，用以实现不用的相位输出。

所述传输线延迟线的耦合缝隙边缘对齐，两端的传输线成中心对称关系。

所述基本单元采用贴片工艺固定在基板上，基板为介质材料基板，介质材料采用厚度为1.575mm的Rogers RT/Duroid 5870材料，其介电常数为2.33。

所述金属地层为铺满良导体的金属地层。

所述移相器的相位角输出范围为0°-180°。

所述移相器的相位角输出为45°、90°和135°，即移相器能在任意工作频率上实现45°，90°和135°相位输出，也可以根据实际需要实现0°-180°的其它相位角。具体是本发明的移相器一组共四个，分别为参考线，45°延迟线，90°延迟线和135°延迟线，可在45%的相对带宽上同时实现45°，90°和135°差分相位。

所述移相器的结构还可以用以实现其它（如滤波器）无源器件功能。

一种基于耦合线结构的新型多路宽带差分移相器的设计方法，其特征是，首先，根据所需中心频率确定级联耦合线的长度；然后，通过需要实现的差分相位确定每段延迟线对应的传输线的长度；最后，改变参考线和延迟线中微带线每一段的宽度以及耦合缝隙的间隙，以调整耦合强度，从而在较宽的带宽上实现不同的差分相位。

本发明的有益效果如下：

（1）本发明首次提出了一种仅使用一个参考线实现多个差分相位的移相器，避免了传统无源差分移相器在多路应用中结构复杂，尺寸大的缺点，适合于相位天线阵，波束成形等无线通信系统的应用。

（2）与现有技术相比，实施本发明中所采用的基于耦合线结构的多路多相位差分移相器，具有以下有益效果：1、具有通用的参考线结构，参考线不需要根据需要的相位输出做出调整，在多路多相位应用上，具有更低的设计复杂度；2、尺寸小，可实现小型化，易于集成；3、使用平面微带结构，结构简单，成本低；4、相对于别的结构而言，本发明能提供较宽的相对带宽；5、可同时实现的相位角度范围广。

附图说明

图1为本发明一实施例侧面结构示意图。

图2为本发明第一层中参考线上层贴片整体结构示意图。

图3为本发明第一层中延迟线上层贴片整体结构示意图。

图4为本发明实施例幅度响应仿真和测量结果对比图。

图5为本发明实施例相位响应仿真和测量结果对比图。

图6为参考线和延迟线W ₁、 W ₂、W ₃、W ₄、W ₅₀、S、L 和L ₅₀的参数表格。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例所采用的技术方案进行清晰、详细的说明，所描述的实施例仅仅是本发明中的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的其他实施例，都属于本发明实施例的保护范围。

结合图1至图3所示，一种基于耦合线结构的新型多路宽带差分移相器，其特征是，包括从上至下依次排布的三层结构，其中，第一层为设有参考线200（Ref）和延迟线300（delay）的基本单元101，第二层为基板102，第三层为金属地层103；所述参考线200和延迟线300的长度为中心频率对应波长的四分之一，其中，参考线200和延迟线300均为由两条微带线A1、A2构成的级联耦合线，参考线200和延迟线300的每条微带线A1、A2均采用四段不等宽的结构。以参考线200为例，其级联耦合线的两条微带线A1和A2，其中，微带线A1的每一段201、202、203、204（从左至右）宽度分别为W ₁、W ₃、W ₄、W ₂，微带线A2的每一段201、202、203、204（从左至右）宽度分别为W ₂、W ₄、W ₃、W ₁。

所述构成参考线200和延迟线300的级联耦合线的结构一致，级联耦合线的每条微带线A1、A2的每一段长度L、耦合缝隙S相等，微带线A1、A2的每一段长度L均为中心频率对应波长的十六分之一，级联耦合线的两条微带线A1、A2成中心对称关系。

所述延迟线300的级联耦合线两端拼接有用于提供参考线200和延迟线300之间的差分相位的传输线302、303，两端的传输线302、303分别设置在延迟线300的两条微带线A1、A2上、且其宽度W ₅₀相等和长度L ₅₀相等，传输线302、303对应电长度为需要实现的相位差在中心频率处所对应的电长度的一半。宽度W ₅₀根据传输线特性阻抗确定，长度L ₅₀根据其电长度确定，其电长度为需要实现的相位差在中心频率处所对应的电长度的一半。

所述传输线302、303为50 ?传输线。

所述传输线302、303延迟线300的耦合缝隙边缘对齐，两端的传输线302、303成中心对称关系。

所述基本单元101采用贴片工艺固定在基板102上，基板102为介质材料基板102，介质材料采用厚度为1.575mm的Rogers RT/Duroid 5870材料，其介电常数为2.33。

所述金属地层103为铺满良导体的金属地层103。

所述移相器的相位角输出为45°、90°和135°。

一种基于耦合线结构的新型多路宽带差分移相器的设计方法：首先，根据所需中心频率（本例为3GHz）确定级联耦合线的长度；然后，通过需要实现的差分相位（本例为45°，90°和135°）确定每段延迟线300对应的传输线302、303的长度L ₅₀；最后，改变参考线200和延迟线300中微带线A1、A2每一段的宽度W ₁、 W ₂、W ₃、W ₄以及耦合缝隙S的间隙，以调整耦合强度，从而在较宽的带宽上实现不同的差分相位。

上述W ₁、 W ₂、W ₃、W ₄、W ₅₀、S、L 和L ₅₀的参数见图6所示，其单位为mm。

参照图4（本实施例中差分移相器幅度响应仿真和测量结果对比图）。在2.24 GHz 到 3.55 GHz频带范围内（相对带宽45%），其S11小于-10dB，S21大于-0.9dB。参照图5（本实施例中差分移相器相位响应仿真和测量结果对比图）。在在2.24 GHz 到 3.55 GHz频带范围内其可同时实现45°±2°, 90°±3°, 135°±5° 的差分相位。

上述图4和图5中结果均在基板材料为Rogers RT/Duroid 5870，介电常数为2.33，基板厚度为1.575mm的真实环境下通过网络分析仪测得。通过以上仿真和测试对比图可以发现，仿真和实测曲线的吻合度较高，表明了本发明的方案切实可行。

其中，图4中所标记的英文翻译为：Magnitude（幅度）、Frequency（频率）、Simulated Return Loss（仿真回波损耗）、Measured Return Loss（测量回波损耗）、Simulated Insertion Loss（仿真插入损耗）、 Measured Insertion Loss（测量插入损耗）。图5中所标记的英文翻译为：Simulated（仿真）、Measured（测量）、Phase shift（Degree）（相移/度），Frequency（频率）。

以上是对本发明一种具有统一参考线的多路多相位宽带差分移相器所提供实施例的详细介绍。本文运用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想。

对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处，综上，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。

Claims

1.一种基于耦合线结构的新型多路宽带差分移相器，其特征是，包括从上至下依次排布的三层结构，其中，第一层为设有参考线（200）和延迟线（300）的基本单元（101），第二层为基板（102），第三层为金属地层（103）；

所述参考线（200）和延迟线（300）的长度为中心频率对应波长的四分之一，其中，参考线（200）和延迟线（300）均为由两条微带线（A1、A2）构成的级联耦合线，参考线（200）和延迟线（300）的每条微带线（A1、A2）均采用四段不等宽的结构。

2.根据权利要求1所述基于耦合线结构的新型多路宽带差分移相器，其特征是，所述构成参考线（200）和延迟线（300）的级联耦合线的结构一致，级联耦合线的每条微带线（A1、A2）的每一段长度、耦合缝隙相等，微带线（A1、A2）的每一段长度均为中心频率对应波长的十六分之一，级联耦合线的两条微带线（A1、A2）成中心对称关系。

3.根据权利要求2所述基于耦合线结构的新型多路宽带差分移相器，其特征是，所述延迟线（300）的级联耦合线两端拼接有用于提供参考线（200）和延迟线（300）之间的差分相位的传输线（302、303），两端的传输线（302、303）分别设置在延迟线（300）的两条微带线（A1、A2）上、且其宽度相等和长度相等，传输线（302、303）对应电长度为需要实现的相位差在中心频率处所对应的电长度的一半。

4.根据权利要求3所述基于耦合线结构的新型多路宽带差分移相器，其特征是，所述传输线（302、303）为50 ?传输线。

5.根据权利要求3或4所述基于耦合线结构的新型多路宽带差分移相器，其特征是，所述传输线（302、303）延迟线（300）的耦合缝隙边缘对齐，两端的传输线（302、303）成中心对称关系。

6.根据权利要求1所述基于耦合线结构的新型多路宽带差分移相器，其特征是，所述基本单元（101）采用贴片工艺固定在基板（102）上，基板（102）为介质材料基板（102），介质材料采用厚度为1.575mm的Rogers RT/Duroid 5870材料，其介电常数为2.33。

7.根据权利要求1所述基于耦合线结构的新型多路宽带差分移相器，其特征是，所述金属地层（103）为铺满良导体的金属地层（103）。

8.根据权利要求1所述基于耦合线结构的新型多路宽带差分移相器，其特征是，所述移相器的相位角输出范围为0°-180°。

9.根据权利要求8所述基于耦合线结构的新型多路宽带差分移相器，其特征是，所述移相器的相位角输出为45°、90°和135°。

10.一种基于耦合线结构的新型多路宽带差分移相器的设计方法：首先，根据所需中心频率确定级联耦合线的长度；然后，通过需要实现的差分相位确定每段延迟线（300）对应的传输线（302、303）的长度；最后，改变参考线（200）和延迟线（300）中微带线（A1、A2）每一段的宽度以及耦合缝隙的间隙，以调整耦合强度，从而在较宽的带宽上实现不同的差分相位。