CN110112572B - 一种滤波功分移相一体化的天线阵列馈电网络 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种滤波功分移相一体化的天线阵列馈电网络，包括上、下层金属地板、金属连接柱、同轴馈电端口、悬置介质基板、悬置带状线和两个调相介质基板；所述上、下层金属地板通过金属连接柱实现共地，所述悬置带状线设置在悬置介质基板上，悬置介质基板水平放置在两块调相介质基板之间，所述两块调相介质基板水平放置在上下层金属地板之间；所述悬置带状线包括一分三滤波功分单元、两个一分二不等分滤波功分单元、两个移相线一及两个移相线二，所述两个调相介质基板覆盖一分三滤波功分单元及两个移相线一及两个移相线二的部分区域。本发明将滤波、功分和移相三种功能电路进行了一体化设计，避免了常规设计不同功能电路间级联失配的问题。

Description

一种滤波功分移相一体化的天线阵列馈电网络
技术领域
本发明涉及无线通信系统中的天线馈电网络领域，尤其涉及一种滤波功分移相一体化的天线阵列馈电网络。
背景技术
天线馈电网络通常由功分器、移相器以及耦合器等无源器件构成，应用于具有多个辐射单元的天线系统中，满足各个辐射单元馈电所需的幅度分布和相位分布。除了馈电网络，天线还需与滤波器级联，滤除其他不必要的信号，避免干扰。
常规设计中，功分器、移相器和滤波器等器件都是独立设计，再由功分器和移相器等器件级联组成馈电网络，然后与滤波器级联。这样的做法会带来不可避免的级联失配问题，导致整体电路插入损耗增大，性能有所恶化，同时电路体积也较大。另外，天线需要兼顾同频干扰和最佳覆盖，波束赋形时需要通过优化调整馈电网络各个输出的幅度分布和相位分布，其中，相位分布的调整更为重要，为了更好地满足天线波束赋形电调下倾所需的相位分布，馈电网络能够灵活调整各个输出信号的相位差，会具有更好的适用性。
发明内容
为了克服现有技术存在的缺点与不足，本发明提供一种滤波功分移相一体化的天线阵列馈电网络，避免常规设计不同功能电路间级联失配的问题，减小电路插损以及体积，提升整体性能。另外，通过移动调相介质基板的位置，能够方便地控制输出端口之间信号的相位差，满足天线辐射单元所需的相位分布要求。
本发明的目的能够通过以下技术方案实现：
一种滤波功分移相一体化的天线阵列馈电网络，包括上、下层金属地板、金属连接柱、同轴馈电端口、悬置介质基板、悬置带状线和两个调相介质基板；
所述上、下层金属地板通过金属连接柱实现共地，所述悬置带状线设置在悬置介质基板上，悬置介质基板水平放置在两块调相介质基板之间，所述两块调相介质基板水平放置在上下层金属地板之间；
所述悬置带状线包括一分三滤波功分单元、两个一分二不等分滤波功分单元、两个移相线一及两个移相线二，所述两个调相介质基板覆盖一分三滤波功分单元及两个移相线一及两个移相线二的部分区域。
所述两个一分二不等分滤波功分单元对称设置在一分三滤波功分单元的两侧，所述一分三滤波功分单元的三个输出端输出等幅同相信号，其中两个输出端分别与位于两侧的移相线一连接，另外一个输出端与同轴馈电端口连接；
所述一分二滤波功分单元的输入端与移相线一连接，两个输出端输出同相不等幅信号，分别与移相线二及同轴馈电端口连接。
所述一分三滤波功分单元三个输出端匹配阻抗为50欧姆。
所述一分二滤波功分单元的输入端匹配阻抗为移相线一未覆盖调相介质基板时所对应的特性阻抗，连接到同轴馈电端口的输出端匹配阻抗为50欧姆，另一个输出端匹配阻抗为移相线二未覆盖调相介质基板区域所对应的特性阻抗。
所述调相介质基板的两端设置两个间隔分布的矩形槽，作为匹配单元，通过调整矩形槽的宽度以及间距，实现移相线一和移相线二未覆盖以及覆盖调相介质基板时所对应两个特性阻抗之间的匹配。
所述移相线一及移相线二的线宽设置为被调相介质基板覆盖时，特性阻抗50欧姆所对应的宽度。
所述一分三滤波功分单元由四个开路枝节加载结构实现滤波功能；
所述一分二不等分滤波功分单元由三个开路枝节加载结构实现滤波功能。
所述一分二不等分滤波功分单元的输出端功率比值为-1.6dB:-5.1dB。
所述同轴馈电端口及金属连接柱有六个，所述同轴馈电端口包括同轴线，同轴线通过金属连接柱的通孔将内导体焊接在悬置介质基板的电路上，其外导体与金属连接柱接触实现接地。
该馈电网络同时实现滤波、功分和移相三种功能。
本发明的有益效果：
1、将滤波、功分和移相三种功能电路进行一体化设计，相较于常规设计不同功能电路独立设计再级联的方法，避免了级联失配的问题，减小电路插损，提升整体性能，同时电路体积得以减小。
2、通过移动调相介质基板的位置，能够方便地控制馈电网络不同输出端口间的相位差，满足天线波束赋形电调下倾所需的相位分布要求。
附图说明
图1是本发明的立体结构示意图；
图2为本发明的原理图；
图3为本发明的俯视图；
图4a为本发明馈电网络一分三滤波功分单元的尺寸标注图；
图4b为本发明馈电网络一分二不等分滤波功分单元的尺寸标注图；
图4c为本发明馈电网络调相介质基板的尺寸标注图；
图5为本发明馈电网络频率响应特性曲线图；
图6a为本发明馈电网络调相介质基板向右移动时P3和P5输出信号之间的相位差；
图6b为本发明馈电网络调相介质基板向右移动时P4和P6输出信号之间的相位差。
具体实施方式
下面结合实施例及附图，对本发明作进一步地详细说明，但本发明的实施方式不限于此。
实施例
如图1所示,一种滤波功分移相一体化的天线阵列馈电网络，包括上、下层金属地板1、六个金属连接柱2、同轴馈电端口3、悬置介质基板4、悬置带状线5和两个调相介质基板6；两个调相介质基板的结构尺寸相同，本实施例中上下层金属地板，悬置介质基板，两个调相介质基板的中心点均在一条竖直直线上。
如图2所示为本发明馈电网络一体化设计的原理框图，常规设计的馈电网络由单独设计的滤波器、功分器和移相器级联组成，电路存在不可避免的级联失配问题，本发明将多个器件进行一体化设计成单个器件实现原有功能，提升电路整体性能，同时减小电路体积。
所述上下层金属地板通过设置在两层金属地板之间的六个金属连接柱实现共地，六个金属连接柱一字型排列，上下层金属地板水平放置。
所述六个同轴馈电端口P1-P6的实现方式为，同轴线通过金属连接柱的通孔将内导体焊接在悬置介质基板的电路上，其外导体与金属连接柱接触实现接地。
如图3所示，所述两个调相介质基板，水平放置在两层介质基板之间，悬置介质基板放在两个调相介质基板之间，悬置带状线印刷在悬置介质基板上，所述悬置带状线印刷在悬置介质基板上，包括一分三滤波功分单元、两个一分二不等分滤波功分单元、两个移相线一、两个移相线二，所述一分三滤波功分单元位于中间位置，其他电路对称设置在一分三滤波功分单元的两侧，所述两个调相介质基板覆盖一分三滤波功分单元及两个移相线一及两个移相线二的部分区域。
两个调相介质基板的两端设置有两个间隔分布的矩形槽，用于改变对应区域悬置带状线的特性阻抗，其中，矩形槽对应区域带状线为高阻抗线，两个槽之间对应区域带状线为低阻抗线，三个部分带状线形成阶跃阻抗结构，作为匹配单元9，通过调节两个矩形槽的宽度以及间距，改变阶跃阻抗结构各部分的电长度，实现移相线一和移相线二未覆盖以及覆盖调相介质基板时所对应两个特性阻抗之间的匹配。同时，通过移动调相介质基板，改变左右两边移相线一和移相线二被介质基板所覆盖的范围，从而改变左右两边移相线一和移相线二的等效电长度，实现输出端口间不同的相位差。
一分三滤波功分单元7通过四个开路枝节加载结构实现滤波功能，输入端与同轴馈电端口P1连接，三个输出等幅同相，同时都匹配到50欧姆，其中一个输出连接到同轴馈电端口P2，另外两个输出连接到两个移相线一lps1的一端。
如图3所示，一分二不等分滤波功分单元8的滤波功能通过三个开路枝节加载结构实现滤波功能，两个输出同相，功率比值为-1.6dB:-5.1dB，其输入连接到移相线一的另一端，匹配阻抗为移相线一未覆盖调相介质基板时所对应的特性阻抗，其输出一个连接到同轴馈电端口P4或P6，匹配阻抗为50欧姆，另一个连接到移相线二lps2一端，移相线二lps2的另一端连接同轴馈电端口P3或P5，匹配阻抗为移相线二未覆盖调相介质基板时所对应的特性阻抗。其中，移相线一和移相线二的线宽设置为覆盖调相介质基板时，特性阻抗为50欧姆所对应的宽度。
在本实施例中，本发明馈电网络的工作频率为1.4-2.7GHz，悬置介质基板加工采用的板材厚度为0.2mm，相对介电常数为3.38，正切损耗为0.0027，调相介质基板加工采用的板材厚度为3.048mm，相对介电常数为2.94，正切损耗为0.0012，上下层金属地板之间的距离为6.4mm，馈电网路对应的各项尺寸标注如图3至图4a、图4b、图4c所示，具体参数如下：
w0＝4.3mm,w1＝1.4mm,w2＝0.9mm,w3＝0.7mm,w4＝2.3mm,w5＝3.8mm,w6＝4.8mm,w7＝1.2mm,w8＝3.0mm,w9＝2.6mm,w10＝2.2mm,w11＝2.5mm,w12＝8.4mm,w13＝2mm,w14＝3.5mm,w15＝6.6mm,w16＝7.6mm,ws1＝2.8mm,ws2＝1.1mm,ws3＝2.4mm,ws4＝3mm,ws5＝3.3mm,ws6＝2.4mm,ws7＝3.8mm,wp＝9.2mm,l0＝7mm，l1＝6.6mm，l2＝9.8mm，l3＝8.6mm，l4＝13.8mm，l5＝2.9mm，l6＝16mm，l7＝15.2mm，l8＝18.2mm，l9＝7.8mm，l10＝10.8mm，l11＝6mm，l12＝13.1mm，l13＝26.6mm，l14＝23.5mm，l15＝30.2mm，l16＝22.6mm，ls1＝8.2mm，ls2＝11.1mm，ls3＝11.3mm，ls4＝11.8mm，ls5＝17.4mm，ls6＝20.6mm，ls7＝17.3mm，lp＝4mm，lps1＝119mm，lps2＝105mm,lx＝256.4mm，lx1＝18mm,lx2＝10.8mm,lx3＝7.1mm，ly＝51mm，ly1＝36.1mm。
如图5所示，为本发明馈电网络频率响应特性曲线图，通带1.4-2.7GHz范围内，S11小于-20dB，表明输入端口匹配良好。由于本实施例中一分二不等分滤波功分单元的功率比值为-1.6dB:-5.1dB，理想情况下，各个输出端口间信号功率比值为，S21:S31:S41:S51:S61＝-4.77dB:-9.87dB:-6.37dB:-9.87dB:-6.37dB。由图5可发现，通带频率范围内端口P3和端口P5输出信号幅度基本相等，端口P4和端口P6输出信号幅度基本相等，输出信号幅度不平衡度小于1.5dB，，除去功率分配部分，电路插入损耗不大于1.6dB。带外3.38-5GHz频率范围内，抑制水平大于40dB，电路具有较高的边带滚降特性和带外抑制能力，滤波性能良好。
如图6a所示，为本发明馈电网络调相介质基板向右移动时(移动距离记为dm)端口P3和端口P5输出信号之间的相位差，图6b则是端口P4和端口P6输出信号之间的相位差，可以看到，当调相介质基板未移动时(dm＝0mm)，工作频率1.4-2.7GHz范围内，端口P3和端口P5输出信号基本同相，端口P4和端口P6输出信号基本同相。移动距离dm越大，输出信号间的相位差越大，当dm＝20mm时，端口P3和端口P5输出信号相位差在通带频率范围内波动为[-77.3°，-174.3°]，端口P4和端口P6输出信号相位差在通带频率范围内波动为[-37.7°，-90.9°]。由于从端口P1到端口P4和端口P6只经过移相线一，而从端口P1到端口P3和端口P5则经过移相线一和移相线二，由于对称性，当调相介质基板移动时，端口P3和端口P5输出信号相位差为端口P4和端口P6输出信号相位差的两倍，结果基本符合这一规律。
综上所述，本发明所提出的一种滤波功分移相一体化的天线阵列馈电网络，集成了滤波、功分和移相多种功能，其中，通过移动调相介质基板的位置，能够方便地控制输出端口之间信号的相位差。本发明电路具有损耗低、集成度高、体积小等多种性能优点，适用于许多射频系统中。
上述实施例为本发明较佳的实施方式，但本发明的实施方式并不受所述实施例的限制，其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种滤波功分移相一体化的天线阵列馈电网络，其特征在于，包括上、下层金属地板、金属连接柱、同轴馈电端口、悬置介质基板、悬置带状线和两个调相介质基板；
所述上、下层金属地板通过金属连接柱实现共地，所述悬置带状线设置在悬置介质基板上，悬置介质基板水平放置在两个调相介质基板之间，所述两个调相介质基板水平放置在上下层金属地板之间；
所述悬置带状线包括一分三滤波功分单元、两个一分二不等分滤波功分单元、两个移相线一及两个移相线二，所述两个调相介质基板覆盖一分三滤波功分单元及两个移相线一及两个移相线二的部分区域；
所述两个一分二不等分滤波功分单元对称设置在一分三滤波功分单元的两侧，所述一分三滤波功分单元的三个输出端输出等幅同相信号，其中两个输出端分别与位于两侧的移相线一连接，另外一个输出端与同轴馈电端口连接；
所述一分二不等分滤波功分单元的输入端与移相线一连接，两个输出端输出同相不等幅信号，分别与移相线二及同轴馈电端口连接；
所述调相介质基板的两端设置两个间隔分布的矩形槽，作为匹配单元，通过调整矩形槽的宽度以及间距，实现移相线一和移相线二未覆盖以及覆盖调相介质基板时所对应两个特性阻抗之间的匹配。
2.根据权利要求1所述的天线阵列馈电网络，其特征在于，所述一分三滤波功分单元三个输出端匹配阻抗为50欧姆。
3.根据权利要求1所述的天线阵列馈电网络，其特征在于，
一分二不等分滤波功分单元的输入端匹配阻抗为移相线一未覆盖调相介质基板时所对应的特性阻抗，连接到同轴馈电端口的输出端匹配阻抗为50欧姆，另一个输出端匹配阻抗为移相线二未覆盖调相介质基板区域所对应的特性阻抗。
4.根据权利要求1所述的天线阵列馈电网络，其特征在于，所述移相线一及移相线二的线宽设置为被调相介质基板覆盖时，特性阻抗50欧姆所对应的宽度。
5.根据权利要求1所述的天线阵列馈电网络，其特征在于，所述一分三滤波功分单元由四个开路枝节加载结构实现滤波功能；
所述一分二不等分滤波功分单元由三个开路枝节加载结构实现滤波功能。
6.根据权利要求1所述的天线阵列馈电网络，其特征在于，所述一分二不等分滤波功分单元的输出端功率比值为-1.6dB :-5.1dB。
7.根据权利要求1所述的天线阵列馈电网络，其特征在于，所述同轴馈电端口及金属连接柱有六个，所述同轴馈电端口包括同轴线，同轴线通过金属连接柱的通孔将内导体焊接在悬置介质基板的电路上，其外导体与金属连接柱接触实现接地。
8.根据权利要求1所述的天线阵列馈电网络，其特征在于，该馈电网络同时实现滤波、功分和移相三种功能。
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