一种移相单元、移相器及基站天线
技术领域
本发明实施例涉及通信技术领域,尤其涉及一种移相单元、移相器及基站天线。
背景技术
在移动通信网络覆盖中,基站天线是覆盖网络的关键设备之一,而移相器又是电调基站天线的核心部件,移相器性能的优劣直接决定了电调基站天线的性能,进而影响到网络的覆盖质量。
介质移相器主要是通过移动其腔体内的介质来调节输入端口至输出端口的相位大小,以改变输入到天线阵列的相位,从而实现调节基站天线的波束下倾角。当前,介质移相器为业界广泛使用。然而介质移相器的移相量小于导体移相器,在需要较大的移相量的应用场景受到限制。增加移相量的常规方法是增大物理行程或增加滑动介质的介电常数。但是,增大物理行程会导致移相单元尺寸增加,进而增加了移相器的整体尺寸。而应用高介电常数,示例性的采用相对介电常数为7.0-9.0的介质,存在两个技术风险。一是高介电常数的稳定性差,二是移相量受腔体高度公差的变化剧烈,批量生产,电下倾角度一致性不高,且高介电常数增加了带线的阻抗在介质内部和外部的不连续性,匹配难度增加。
因此,如果在不提高介质移相器尺寸的同时增加介质移相器的移相量,仍然是本领域技术人员亟待解决的问题。
发明内容
本发明实施例提供一种移相单元、移相器及基站天线,用以解决介质移相器的移相量较小的问题。
第一方面,本发明实施例提供一种移相单元,包括滑动介质和多段带线;
每一所述带线包括主传输线和所述主传输线上设置的若干个加载部;每一所述带线间通过所述主传输线连接;每两段相邻的所述带线的主传输线参数和/或加载部参数中至少存在一个参数互不相同;
所述滑动介质用于通过滑动改变在所述多段带线上的覆盖状态,从而实现移相。
第二方面,本发明实施例提供一种移相器,包括若干个第一方面所提供的移相单元。
第三方面,本发明实施例提供一种基站天线,包括第二方面所提供的移相器。
本发明实施例提供的一种移相单元、移相器及基站天线,通过设置多段带线,使得滑动介质在滑动过程中改变多段带线上的覆盖状态,从而在不增加移相单元尺寸的前提下,将移相段和匹配段合二为一,提升了移相量,减少了匹配级数,提高了匹配效果,解决了电调基站天线需求较大的移相量的问题。
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的前提下,还可以根据这些附图获得其余的附图。
图1为本发明实施例提供的移相单元的结构示意图;
图2为本发明实施例提供的移相单元的第一状态的结构示意图;
图3为本发明实施例提供的移相单元的第二状态的结构示意图;
图4为本发明实施例提供的移相单元的第三状态的结构示意图;
图5为本发明另一实施例提供的移相单元的结构示意图;
图6为本发明又一实施例提供的移相单元的结构示意图;
图7为本发明实施例提供的移相单元的相位曲线图;
图8为本发明实施例提供的移相器的结构示意图;
图9为本发明另一实施例提供的移相器的结构示意图;
图10为本发明又一实施例提供的移相器的结构示意图;
附图标记说明:
1-带线; 1a-第一带线; 1b-第二带线;
1c-第三带线; 11-加载部; 12-主传输线;
2-滑动介质; 21-阻抗变换部; 3-金属接地板;
41-输入端口; 42-输出端口; 421-第一输出端口;
422-第二输出端口; 51-第一移相单元; 511-第一移相单元A端口;
512-第一移相单元B端口; 52-第二移相单元; 521-第二移相单元A端口;
522-第二移相单元B端口; 6-固定介质; 7-补偿带线;
8-功分器; 81-输出端功分结。
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余实施例,都属于本发明保护的范围。
现有的用于增加介质移相器的移相量的方法主要是增大物理行程和增加滑动介质的介电常数两种。然而,增大物理行程会导致移相单元尺寸增加,进而导致移相器整体尺寸的增加。应用高介电常数,则困扰于高介电常数的稳定性以及移相量受腔体高度公差的变化剧烈。针对上述问题,本发明实施例提供了一种移相单元。图1为本发明实施例提供的移相单元的结构示意图,如图1所示,移相单元包括滑动介质2和多段带线1;每一带线1包括主传输线12和主传输线12上设置的若干个加载部11;每一带线1间通过主传输线12连接;每两段相邻的带线1的主传输线参数和/或加载部参数中至少存在一个参数互不相同;滑动介质2用于通过滑动改变在多段带线1上的覆盖状态,从而实现移相。
具体地,移相单元包括滑动介质2,以及两段或两段以上的带线1,本发明实施例不对带线1的数量作具体限定。此处,带线1之间依序头尾相连,呈一条由多个不同带线1构成的带线,例如移相单元包括带线A、带线B和带线C,其中带线A的末端与带线B的首端连接,带线B的末端与带线C的首端连接。每一带线1均包含有主传输线12和若干个加载部11,针对任一带线1,该带线1中的加载部11可以统一设置在主传输线12的任意一侧,也可以随机设置在主传输线12的两侧,本发明实施例对此不作具体限定。进一步地,在带线1之间的连接中,任意两段带线1是通过两端带线1中的主传输线12进行连接的。为实现移相单元中两段或两段以上的带线1,移相单元中的每两段相邻的带线1的主传输线参数和/或加载部参数中至少存在一个参数互不相同,即每段带线1中存在至少一个参数互不相同,并以此区分每段带线1。针对任一带线1,覆盖在任一带线1上的为滑动介质2或空气。
移相单元中,滑动介质2可以通过滑动,进而改变每一带线1上的覆盖状态,实现移相。此处,带线1上的覆盖状态可以是完全覆盖、部分覆盖或者完全未覆盖,其中完全覆盖指该段带线1完全被滑动介质2覆盖,部分覆盖指该段带线1部分被滑动介质2覆盖,完全未覆盖指该段带线1完全未被滑动介质2覆盖。在滑动介质2的滑动过程中,每一带线1上的覆盖状态的变化可能相同,也可能不同,本发明实施例对此不作具体限定。
本发明实施例提供的移相单元,通过设置多段带线1,使得滑动介质2在滑动过程中改变多段带线1上的覆盖状态,从而在不增加移相单元尺寸的前提下,将移相段和匹配段合二为一,提升了移相量,减少了匹配级数,提高了匹配效果,解决了电调基站天线需求较大的移相量的问题。
基于上述任一实施例,移相单元中,滑动介质包含阻抗变换部;对应地,任一所述带线在所述滑动介质滑动时所述覆盖状态包括完全覆盖、部分覆盖、完全未覆盖中的至少一种;所述完全覆盖包括阻抗变换部覆盖和/或非阻抗变换部覆盖,所述部分覆盖包括部分阻抗变换部覆盖和/或部分非阻抗变换部覆盖。
此处,阻抗变换部是指在滑动介质上开设的通孔结构,或在滑动介质上设置的等效介电常数低于滑动介质其余位置的结构。通过在滑动介质上设置阻抗变换部,可以将滑动介质进一步划分为阻抗变换部和非阻抗变换部。对应地,在滑动介质滑动时,带线上的覆盖状态包括完全覆盖、部分覆盖和完全未覆盖中的至少一种,其中完全覆盖包括阻抗变换部覆盖和/或非阻抗变换部覆盖,阻抗变换部覆盖是指该带线被滑动介质完全覆盖,且覆盖该带线滑动介质中包含阻抗变换部,非阻抗变换部覆盖是指该带线被滑动介质完全覆盖,且覆盖该带线滑动介质中不包含阻抗变换部。部分覆盖包括部分阻抗变换部覆盖和/或部分非阻抗变换部覆盖,部分阻抗变换部覆盖是指该带线被滑动介质部分覆盖,且覆盖该带线滑动介质中包含阻抗变换部,部分非阻抗变换部覆盖是指该带线被滑动介质部分覆盖,且覆盖该带线滑动介质中不包含阻抗变换部。
基于上述任一实施例,图2为本发明实施例提供的移相单元的第一状态的结构示意图,图3为本发明实施例提供的移相单元的第二状态的结构示意图,图4为本发明实施例提供的移相单元的第三状态的结构示意图,如图2、3和4所示,多段带线为第一带线1a、第二带线1b和第三带线1c,第二带线1b的两端分别与第一带线1a和第三带线1c的一端连接;滑动介质2上设置有阻抗变换部21。在滑动介质2依次经过第一带线1a、第二带线1b和第三带线1c滑动过程中,第一带线1a的覆盖状态在阻抗变换部覆盖和非阻抗变换部覆盖间变换,第二带线1b和第三带线1c的覆盖状态在完全覆盖和完全未覆盖间变换。
具体地,参考图2,假设第一状态为移相单元的初始状态,第一状态下移相单元中第一带线1a、第二带线1b上的覆盖状态为完全覆盖,且为完全覆盖中的非阻抗变换部覆盖,第三带线1c上的覆盖状态为完全覆盖,且为完全覆盖中的阻抗变换部覆盖。
参考图3,滑动介质2进行滑动,假设第二状态为移相单元的中间状态,第二状态下第一带线1a上的覆盖状态未发生变化,仍然是完全覆盖,且为完全覆盖中的非阻抗变换部覆盖。第二带线1b上的覆盖状态发生变化,由完全覆盖中的非阻抗变换部覆盖变成完全覆盖中的阻抗变换部覆盖。第三带线1c上的覆盖状态由完全覆盖中的阻抗变换部覆盖变成部分覆盖中的部分阻抗变换部覆盖。
参考图4,滑动介质2继续滑动,假设第三状态为移相单元的终止状态,第三状态下第一带线1a上的覆盖状态发生变化,由完全覆盖中的非阻抗变换部覆盖变成完全覆盖中的阻抗变换部覆盖。第二带线1b上的覆盖状态由完全覆盖中的阻抗变换部覆盖变成完全未覆盖,第三带线1c上的覆盖状态由部分覆盖中的部分阻抗变换部覆盖变成完全未覆盖。
由上可知,在滑动介质2从第一状态向第三状态滑动,或者从第三状态向第一状态滑动的过程中,第一带线1a上的覆盖状态在完全覆盖中的阻抗变换部覆盖和非阻抗变换部覆盖间变换,第二带线1b和第三带线1c上的覆盖状态在完全覆盖和完全未覆盖间变换。
基于上述任一实施例,移相单元还包括输入端和输出端,输入端和输出端为上述多段带线的两端;输入端的阻抗与输出端的阻抗之差在预设差值范围内。输入端的阻抗与输出端的阻抗之差是通过对上述多段带线中每一带线的主传输线参数和/或加载部参数进行调整后得到的。
具体地,针对任一移相单元,移相单元中包含多段带线,多段带线组合构成的带线的两端分别作为输入端和输出端。需要说明的是,输入端和输出端可以互换。
此处,预设差值范围是预先设定的输入端阻抗与输出端阻抗之差的范围,通常,为了实现输入端和输出端阻抗的近似相等,需要在移相单元内增加阻抗变换段。而本发明实施例中,无需阻抗变换段即可实现输入端和输出端阻抗的近似相等,使得输入端与输出端的阻抗之差在预设差值范围内。进一步地,本发明实施例中通过对移相单元中每一带线的主传输线参数和/或加载部参数进行调整,即对每一带线的加载部宽度、加载部长度、加载部数量和加载部间隔等参数进行调整并仿真,进而对移相单元的输入端和输出端的阻抗进行调整,使得输入端和输出端的阻抗近似相等。
进一步地,由于阻抗包括阻抗实部和阻抗虚部,在对输入端和输出端的阻抗进行比较时,分别对输入端的阻抗实部和输出端的阻抗实部,以及输入端的阻抗虚部和输出端的阻抗虚部进行比较。对应地,预设差值范围包括实部预设差值范围和虚部预设差值范围,通过对移相单元中每一带线的主传输线参数和/或加载部参数进行调整并仿真,使得输入端的阻抗实部和输出端的阻抗实部之差在实部预设差值范围内,输入端的阻抗虚部和输出端的阻抗虚部之差在虚部预设差值范围内。
基于上述任一实施例,主传输线参数包括主传输线宽度和/或长度,加载部参数包括加载部宽度、加载部长度、加载部数量和加载部间隔中的至少一种。由此,移相单元中的多段带线之间,可以是主传输线宽度、主传输线长度、加载部宽度、加载部长度、加载部数量和加载部间隔中的至少一个参数互不相同。例如,移相单元包括带线A、带线B和带线C三段带线,其中,带线A与带线B的主传输线宽度不同,带线A与带线C的加载部宽度不同。又例如,移相单元包括带线D和带线E两段带线,其中带线D和带线E的主传输线长度相同,但加载部数量不同。再例如,移相单元包括带线F、带线G和带线H三段带线,其中带线F和带线G的加载部宽度不同,带线F和带线H的加载部间隔不同。
基于上述实施例,图5为本发明另一实施例提供的移相单元的结构示意图,如图5所示,该移相单元中每一虚框表示一段带线1,即该移相单元中共包含9段带线1,9段带线1分为三排,每排三段带线1的主传输线宽度各不相同。图6为本发明又一实施例提供的移相单元的结构示意图,如图6所示,该移相单元共包含三段带线1,每一带线1的主传输线宽度各不相同。三段带线1呈弧形分布,覆盖在三段带线1上的滑动介质2也呈弧形分布。由此可知,本发明实施例不对带线1的形状作具体限定,对应的滑动介质2也可以设置为多种形状。
基于上述任一实施例,将包含有多段带线的移相单元与常规移相单元置于相同的腔体内,并保证两种移相单元的滑动介质与滑动行程一致,通过三维电磁仿真软件,包含多段带线的移相单元与常规移相单元的移相量的仿真结果如下表:
其中,f1为移相单元工作频段的下限频点,f2为移相单元工作频段的上限频点,f0为f1与f2的中心频点,即f1<f0<f2,f0=(f1+f2)/2。从上表可以得出,包含有多段带线的移相单元的移相量比常规移相单元提升15%左右。通过改变主传输线参数和/或加载部参数,可以在阻抗匹配的基础上实现移相量的不同程度的提升。
需要说明的是,本发明实施例中滑动介质的相对介电常数为4.40。
通过仿真可以得到包含有多段带线的移相单元在起始行程(参考图2),中间行程(参考图3)和终止行程(参考图4)三个行程的对应的Smith圆图。分别从Smith圆图中读取下限频点f1,中间频点f0及上限频点f2的阻抗数值,得到如下的阻抗值表。下表中,移相单元的输入端对应S11,输出端对应S22。
由上表可知,包含有多段带线的移相单元在介质滑动中,输入端与输出端具有近似相等的阻抗。输入端的阻抗实部与输出端的阻抗实部的差值在实部预设差值范围内,数值为0~14,多数集中于0~9。输入端的阻抗虚部与输出端的阻抗虚部的差值在虚部预设差值范围内,数值为0~16,多数集中于0~6。实际应用过程中,本领域技术人员能够应用电磁仿真软件对本发明实施例进行深度优化,使得实部预设差值范围和虚部预设差值范围更小,阻抗圆图相对圆心更加收敛,输入端及输出端的阻抗圆图曲线更重合。
基于上述任一实施例,参考图2、图3和图4中的包含有多段带线的移相单元,在等行程的条件下,即移相单元中滑动介质在初始位置记为0mm,向左滑动L1mm。记为行程1,从L1向左再滑动L1记为行程2,行程1与行程2为等行程。移相单元的三个工作频点的移相量的电磁仿真结果如下:
图7为本发明实施例提供的移相单元的相位曲线图,如图7所示,根据公式可知,第一带线,第二带线与第三带线在相同频点下具有相等的相速度,使得移相单元在等行程的状态下,移相量与行程L成线性正比例关系,即以使得电调天线的标尺刻度与移相单元的行程呈现线性变化。式中,为移相量,ω0为角频率,vp为相速度,L为介质滑动的行程。
需要说明的是,上述实施例中的f1~f2适用于通信系统的各种制式的频段。示例性的有0.6GHz-1GHz,1.7GHz-2.2GHz,1.88GHz-2.025GHz等。
基于上述任一实施例,一种移相器包括若干个上述任一实施例中提供的移相单元,每组移相单元之间通过带线中的主传输线连接。
基于上述任一实施例,移相器还包括金属接地板;金属接地板为腔体结构,移相单元设置在腔体结构内。移相器包含输入端口和输出端口,输入端口即移相单元的输入端,输出端口即移相单元的输出端。
基于上述任一实施例,移相器至少包括两个端口,即输入端口和输出端口,本发明实施例对不移相器的输入端口和输出端口的数量作具体限定。需要说明的是,当移相器具备若干个输入端口和若干个输出端口时,移相器中每一输入端口和输出端口的阻抗可以相同,或者移相器中每一输入端口的阻抗相同,每一输出端口的阻抗不同,又或者移相器中每一输出端口的阻抗相同,每一输入端口的阻抗不同。此处,输入端口和输出端口的阻抗可以通过移相器中移相单元内的带线的主传输线参数和/或加载部参数进行调整。
基于上述任一实施例,移相器还包括相位补偿网络,相位补偿网络设置在输出端。
具体地,若移相器中存在多个输出端,输入端至每一输出端的路径不同,由此导致每一输出端处的相位延迟不同。针对不同输出端的相位延迟不同的问题,在输出端设置相位补偿网络,用于减小由于路径不同导致的相位延迟之间的差异。
基于上述任一实施例,移相器还包括补偿带线。补偿带线与移相单元中的带线连接。
具体地,若移相器中存在多个输出端,输入端至每一输出端的路径不同,由此导致每一输出端处的相位不同。针对不同输出端的相位不同的问题,在移相器中设置补偿带线,用于补偿由于路径不同导致的相位差。此处,补偿带线上可以部分覆盖介质,也可以完全覆盖介质,本发明实施例对此不作具体限定。通过设置补偿带线,可以减少金属接地板外部的电缆长度,使得馈电网络的布线更加美观。
基于上述任一实施例,图8为本发明实施例提供的移相器的结构示意图,如图8所示,移相器中包含一个移相单元,移相单元设置在金属接地板3的腔体结构内。移相单元包括第一带线1a、第二带线1b和第三带线1c,第二带线1b的两端分别与第一带线1a和第三带线1c的一端连接,第一带线1a的一端和第三带线1c的一端分别作为移相器的两个端口,即输入端口41和输出端口42。每一带线均包括主传输线12和加载部11,第一带线1a、第二带线1b和第三带线1c的主传输线12宽度不同。
在滑动介质2依次经过第一带线1a、第二带线1b和第三带线1c滑动过程中,第一带线1a的覆盖状态在阻抗变换部覆盖和非阻抗变换部覆盖间变换,第二带线1b和第三带线1c的覆盖状态在完全覆盖和完全未覆盖间变换。
基于上述任一实施例,图9为本发明另一实施例提供的移相器的结构示意图,如图9所示,移相器包括两个移相单元,即第一移相单元51和第二移相单元52,第一移相单元51与第二移相单元52的滑动介质2相连。信号从移相器输入端口41进入,经过第一移相单元51后,再经过功分器8,功率一分为二。假设第一输出端口421与第二输出端口422两个端口的功率比为1:K(K≥1),为实现功分器8主路阻抗的匹配,通常将与第一输出端口421电连接的带线特性阻抗设置为50欧姆,功分器8另一端口输入阻抗设置为50K欧姆,因此功分器8的节点A输入端阻抗为50K/(K+1)。显然,当K=1~2的时候,节点A的输入阻抗为25~33欧姆,为低阻抗值。考虑到常规的移相单元带线的功率容限及加工线宽的实现,通常设置常规移相单元在空气中的特性阻抗为90-70欧姆,输出端功分结81节点B到节点A进行阻抗变换时,节点A与节点B的阻抗变换比过高,则匹配带宽受到限制。而采用本发明实施例中提供的包含多段带线的移相单元,能够减小阻抗变换比,提升阻抗变换的效果。
此外,移相器中还设置有补偿带线7。补偿带线7完全被固定介质6覆盖。即在滑动介质2滑动过程中,固定介质6不滑动,始终覆盖在补偿带线7上。在实际应用中,可以根据布线空间,选择不覆盖介质或者半覆盖介质。此处的补偿带线7可以补偿因输入端口41至输出端口的电长度不同产生的相位差。
基于上述任一实施例,图10为本发明又一实施例提供的移相器的结构示意图,如图10所示,移相器包括第一移相单元51和第二移相单元52,第一移相单元51和第二移相单元52通过功分器8连接,且第一移相单元51的滑动介质2与第二移相单元52的滑动介质2相连。
第一移相单元51与第二移相单元52的结构相同,均包含有9段带线,且分为上中下三层排布,每层排布三段带线,且三段带线的主传输线宽度不同。在滑动介质2滑动时,第一移相单元51中的9段带线与第二移相单元52中的9段带线上的覆盖状态发生变换,进而实现移相。
基于上述任一实施例,一种基站天线,包括如上述任一实施例提供的移相器,且本发明实施例不对基站天线中移相器的数量和布设位置作具体限定。
本发明实施例提供的基站天线,其移相器中包含的移相单元通过设置多段带线,使得滑动介质在滑动过程中改变多段带线上的覆盖状态,从而在不增加移相单元尺寸的前提下,将移相段和匹配段合二为一,提升了移相量,减少了匹配级数,提高了匹配效果,解决了电调基站天线需求较大的移相量的问题。
最后应说明的是:以上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,或者对其中部分技术特征进行等同替换;而这些修改或者替换,并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。