CN108172998A - 一种提高波束成形网络器件端口隔离度的结构 - Google Patents

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邓建华
董宇亮
王凯
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Abstract

本发明公开了一种提高波束成形网络器件端口隔离度的结构，所述结构包括：透镜，透镜上设有多个波束端口，波束端口通过馈线引入透镜腔，馈线通过渐变结构与透镜腔相连，透镜腔的另一端通过相位延迟馈线连接到多个阵列端口，在相邻的渐变结构之间连接有至少一条互耦抑制传输线。实现了提高邻近端口间的隔离度，且具有不损失能量、易于加工、结构紧凑的技术效果。

Description

一种提高波束成形网络器件端口隔离度的结构
技术领域
本发明涉及波束成形网络器件领域，具体地，涉及一种提高波束成形网络器件端口隔离度的结构。
背景技术
波束成形网络器件是只一类具有多输入、多输出端口的无源微波网络器件，具体形式有Rotman透镜、Bootlace透镜。波束成形网络的一般结构如图1所示，多个波束端口(Beam Ports)通过馈线引入透镜腔(Lens Cavity)，透镜腔的另一端通过特殊计算的相位延迟馈线连接到多个阵列端口(Array Ports)，在阵列端口连接天线构成天线阵列。所有传输线通过渐变结构与腔体相连，以实现阻抗变换。当从不同波束端口(Beam Ports)馈入信号时，天线阵列的辐射波束具有不同的指向，从而形成多波束。基于无源器件的互易性，波束成形网络即可用于发射多波束、也可以用于接收多波束。其传输线形式有微带线式、带状线式和波导腔体式。
波束成形网络器件是一种低成本的模拟多波束扫描器件，通过切换不同的端口可以同时发射或接受不同方向的电磁波，形成多方向的定向信号覆盖和探测，在雷达、通信、成像等领域有广泛应用。
由于受到阵列天线波束扫描的原理限制，天线阵列的单元间距一般要小于1/2波长，所以波束成形网络中连接透镜腔体和传输线的渐变结构紧密排列，从而导致相邻端口间会产生强耦合降低相邻端口的隔离度。目前常用的提高隔离度的方法是在相邻端口之间插入一个吸收端口，将相邻端口的渐变结构边缘的电流吸收，避免电流的直接传入从而降低互耦。此种方式会导致一部分能量的浪费，且增加的吸收端口会增大波束成形网络的尺寸，不易于小型化以及阵列的密集化设计。
发明内容
本发明提供了一种提高波束成形网络器件端口隔离度的结构，解决了现有的不足，实现了提高邻近端口间的隔离度，且具有不损失能量、易于加工、结构紧凑的技术效果。
为实现上述发明目的，本申请提供了一种提高波束成形网络器件端口隔离度的结构。所述结构包括：透镜，透镜上设有多个波束端口，波束端口通过馈线引入透镜腔，馈线通过渐变结构与透镜腔相连，透镜腔的另一端通过相位延迟馈线连接到多个阵列端口，在相邻的渐变结构之间连接有至少一条互耦抑制传输线。当相邻渐变结构间为单条互耦抑制传输线时，通过互耦抑制传输线传播路径与绕过渐变结构的传播路径的波程差为半波长；当相邻渐变结构间连接多条互耦抑制传输线时，靠近渐变结构开口处的第一条互耦抑制传输线与单条互耦抑制传输线时设置相同，后续互耦抑制传输线的传输路径较前一条互耦抑制传输线路径的波程差为半波长。
这类新结构是在相邻渐变传输线间插入一段或多段互耦抑制传输线，采用直接传导或耦合的方式将各端口部分功率的信号导入相邻端口中，利用互耦信号传输路径与互耦抑制传输线传输路径的波程差，抵消互耦信号，从而提高端口隔离度。
其中，互耦抑制传输线所采用的传输线形式包含微带线、带状线和波导，具体形式与所设计的波束成形网络的传输线形式一致，因此可以与波束成形网络一体加工制造。
互耦抑制传输线的数量可以是单条或多条，多条互耦抑制传输线之间的路径差约为1/2波长，做微调优化可以增加互耦抑制的带宽。
因为只要满足互耦信号路径与多条互耦抑制传输线路径之间的传播路径差约为1/2波长就可以实现互耦抑制，那么互耦抑制传输线的两端可以连接在渐变传输线的任意位置。
若波束成形网络器件采用微带线或带状线形式，则互耦抑制传输线传递电磁波的方式可以是直接传导式也可以是耦合式。直接传导式是直接将一根传输线接在相邻渐变传输线之间，通过调整该传输线的特征阻抗来调整相消信号的功率，以实现对互耦信号的完全抵消。耦合式是只在互耦抑制传输线上引入电容结构，通过调整电容值得大小来调整相消信号的功率。
若波束成形网络器件采用波导形式，那么互耦抑制传输线为孔耦合形式。通过改变耦合孔的口径调整相消信号的功率，实现互耦信号的完全抵消。
其中，，渐变结构包括：渐变传输线和端口，端口通过渐变传输线与透镜腔相连。当相邻的渐变结构之间连接有单条互耦抑制传输线时，互耦抑制传输线与渐变传输线的连接点距离渐变线开口处的距离为a，互耦抑制传输线的长度为L，互耦抑制传输线参数选择为2a-L等于1/2波长，波长为传输线的导行波长。当相邻的渐变结构之间连接有多条互耦抑制传输线时，第一条互耦抑制传输线与渐变传输线的连接点距离渐变线开口处的距离为a1，第二条互耦抑制传输线与渐变传输线的连接点距离第一条互耦抑制传输线与渐变传输线的连接点距离为a2，第三条互耦抑制传输线与渐变传输线的连接点距离第二条互耦抑制传输线与渐变传输线的连接点距离为a3，依次类推，第n条互耦抑制传输线的长度为Ln，其中，第一条互耦抑制传输线参数选择为2a1-L1等于半波长；后续若干条互耦抑制线参数选择为2an+Ln-1-Ln等于半波长。
进一步的，多条互耦抑制传输线可以连接在渐变传输线上任意位置。为了满足多条互耦抑制传输线的长度条件，多条互耦传输线走线可以是任意曲线。
本申请提供的一个或多个技术方案，至少具有如下技术效果或优点：
由于采用了在渐变传输线之间添加一条或多条互耦抑制传输线，利用互耦传输线导通的信号抵消互耦信号的技术手段，所以，实现了提高邻近端口间的隔离度，且具有不损失能量、易于加工、结构紧凑的技术效果。
附图说明
此处所说明的附图用来提供对本发明实施例的进一步理解，构成本申请的一部分，并不构成对本发明实施例的限定；
图1为波束成形网络器件的通用结构示意图；
图2为端口到透镜腔体渐变传输线的一般形式示意图；
图3(a)为单条传导式互耦抑制传输线结构示意图；
图3(b)为多条传导式互耦抑制传输线结构示意图；
图3(c)为在渐变传输线任意位置连接的多条传导式互耦抑制传输线示意图；
图4为一种耦合式互耦抑制传输线结构示意图；
图5(a)-(c)为多种耦合式互耦抑制传输线的耦合结构示意图；
图6为常规结构波束成形网络与本发明中具有互耦抑制结构的波束成形网络隔离度仿真结果对比图。
具体实施方式
本发明提供了一种提高波束成形网络器件端口隔离度的结构，解决了现有的不足，实现了提高邻近端口间的隔离度，且具有不损失能量、易于加工、结构紧凑的技术效果。
为了能够更清楚地理解本发明的上述目的、特征和优点，下面结合附图和具体实施方式对本发明进行进一步的详细描述。需要说明的是，在相互不冲突的情况下，本申请的实施例及实施例中的特征可以相互组合。
在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本发明，但是，本发明还可以采用其他不同于在此描述范围内的其他方式来实施，因此，本发明的保护范围并不受下面公开的具体实施例的限制。
本申请的实施例中，提供了传导式和耦合式互耦抑制传输线的结构，其中包含单条和多条互耦抑制传输线方案，同时提供了若干耦合式互耦抑制传输线的耦合结构。所有结构和方案中均提供了结构初始值选取方法和优化调试方式。
以下通过几个实施例对本发明方案做详细描述：
首先依据波束成形网络的设计流程和方法设计出其结构，其通用结构图1所示；为了实现阻抗的匹配，在所有端口与透镜腔连接处设置渐变传输线，如图2所示；通常渐变传输线的长度大于一个波长。传输线类型与波束成形网络器件的构造形式一致，可以是微带线、带状线和波导；这几种传输线形式构成的波束成形网络以及渐变传输线结构的横剖面形状都符合图1、图2所示结构。
图3(a)为一种单条传导式互耦抑制传输线结构，互耦抑制传输线与渐变传输线的连接点距离渐变线开口处的距离为a，互耦抑制传输线的长度为L；该结构初始值的选取方法是调整连接点的位置使2a-L等于1/2波长，此处波长为传输线的导行波长；这样从渐变线开口处耦合进入相邻端口的电磁波传播路径与通过互耦抑制传输线进入相邻端口的电磁波传播路径相差半波长。调节互耦抑制传输线的宽度可以改变其特征阻抗，从而改变其传输的信号功率。基于上述选取的结构初始值，微调优化连接点的位置和互耦抑制传输线的宽度，可以使两条传播路径中的信号相位相反、幅值相等，从而抵消相邻端口的信号耦合。
图3(b)为将单条传导式互耦抑制线推广为多条的结构。通过引入多条互耦抑制线，形成了多条信号传播路径，可以扩展互耦抑制的带宽。结构初始值设置方法中，第一条互耦抑制线参数选取规则为调整连接点位置使2a1-L1等于半波长；后续若干条互耦抑制线的参数选取规则为使2an+Ln-1-Ln等于半波长。确定了初始结构参数后，调节优化各条互耦抑制传输线的连接点位置和线宽，可以在宽频带内实现互耦抑制。
图3(c)为多条传导式互耦抑制传输线在渐变传输线任意位置连接的结构图。互耦抑制传输线可以连接在渐变传输线任意位置且可为曲线。设计方式与图3(b)所示方式相同，初始结构只需使互耦抑制传输线的长度与绕渐变结构边缘路径差为半波长即可，然后优化互耦抑制传输线的长度和宽度即可实现宽频段内的互耦抑制。
图4为一种单条耦合式互耦抑制传输线的结构。其结构与传导式互耦抑制传输线的差别主要在传输线并非直通，而是通过耦合电容结构将信号传递到相邻端口。同样，耦合式互耦抑制传输线可以设计成多条以拓展隔离带宽，传输线也可以在渐变结构任意位置连接。其结构初始值设计方法与图3中说明的传导式互耦抑制传输线相同，只需使互耦抑制传输线的长度与绕渐变结构边缘路径差值为半波长即可。其中，耦合电容结构以1/4波长计入互耦抑制传输线长度。然后，通过优化互耦抑制传输线的连接点位置以及耦合电容的容值，即可得到满足要求的结构。
图5(a)-(c)为多种耦合式互耦抑制传输线的耦合结构。这些都可以作为耦合式互耦抑制传输线的耦合电容结构。图中连接点为与传输线连接点，通过调节间隙、插指长度、插指数目可以调节电容值，以达到互耦抑制传输线所需电容值。
图6为常规结构波束成形网络与本发明中具有单根传输式互耦抑制传输线的波束成形网络隔离度仿真结果对比图。常规结构是如图2所示结构，具有单根传输式互耦抑制传输线的结构如图3(a)所示，仿真结果显示在工作频点26GHz处，本发明所提供结构的隔离度显著低于常规结构。
尽管已描述了本发明的优选实施例，但本领域内的技术人员一旦得知了基本创造性概念，则可对这些实施例作出另外的变更和修改。所以，所附权利要求意欲解释为包括优选实施例以及落入本发明范围的所有变更和修改。
显然，本领域的技术人员可以对本发明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)

1.一种提高波束成形网络器件端口隔离度的结构，所述结构包括：透镜，透镜上设有多个波束端口，波束端口通过馈线引入透镜腔，馈线通过渐变结构与透镜腔相连，透镜腔的另一端通过相位延迟馈线连接到多个阵列端口，其特征在于，在相邻的渐变结构之间连接有至少一条互耦抑制传输线。
2.根据权利要求1所述的提高波束成形网络器件端口隔离度的结构，其特征在于，互耦抑制传输线采用的形式包括：微带线、带状线和波导中的一种，互耦抑制传输线与波束成形网络的传输线形式一致。
3.根据权利要求1所述的提高波束成形网络器件端口隔离度的结构，其特征在于，渐变结构包括：渐变传输线和端口，端口通过渐变传输线与透镜腔相连。
4.根据权利要求3所述的提高波束成形网络器件端口隔离度的结构，其特征在于，当相邻的渐变结构之间连接有单条互耦抑制传输线时，互耦抑制传输线与渐变传输线的连接点距离渐变线开口处的距离为a，互耦抑制传输线的长度为L，互耦抑制传输线参数选择为2a-等于1/2波长，波长为互耦抑制的导行波长。
5.根据权利要求3所述的提高波束成形网络器件端口隔离度的结构，其特征在于，当相邻的渐变结构之间连接有多条互耦抑制传输线时，第一条互耦抑制传输线与渐变传输线的连接点距离渐变线开口处的距离为a1，第二条互耦抑制传输线与渐变传输线的连接点距离第一条互耦抑制传输线与渐变传输线的连接点距离为a2，第三条互耦抑制传输线与渐变传输线的连接点距离第二条互耦抑制传输线与渐变传输线的连接点距离为a3，依次类推，第n条互耦抑制传输线的长度为Ln，其中，第一条互耦抑制传输线参数选择为2a1-L1等于半波长；后续若干条互耦抑制线参数选择为2an+Ln-1-Ln等于半波长。
6.根据权利要求5所述的提高波束成形网络器件端口隔离度的结构，其特征在于，多条互耦抑制传输线连接在渐变传输线上或端口上。
7.根据权利要求6所述的提高波束成形网络器件端口隔离度的结构，其特征在于，多条互耦抑制传输线连接在端口上且朝透镜腔弯曲。
8.根据权利要求1所述的提高波束成形网络器件端口隔离度的结构，其特征在于，互耦抑制传输线的走线方式为直线或曲线。
9.根据权利要求1所述的提高波束成形网络器件端口隔离度的结构，其特征在于，互耦抑制传输线为直接传导式或耦合式。
10.根据权利要求1所述的提高波束成形网络器件端口隔离度的结构，其特征在于，耦合式互耦抑制传输线中的电容结构为平行双线或平行或交指电容。
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