CN111668603A - 一种馈电结构和用于移相器的馈电方法 - Google Patents

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Abstract

一种馈电结构和用于移相器的馈电方法，包括2N个第一传输线、一个第一波导口和2N个第二波导口，第一波导口和第二波导口为包括一个输入端和一个输出端的传输线；2N个第一传输线的一端均连接第一波导口的一端，2N个第一传输线的另一端分别连接所述2N个第二波导口的一端；输入信号从第一波导口输入时，第一波导口用于将输入信号进行功率分配后分别馈电至2N个第一传输线中，输入信号从第二波导口输入时，第一波导口用于将2N个第一传输线输出的信号进行功率合成并输出。本发明利用一个第一波导口给2N个第一传输线馈电，既实现了不同传输线间的转换作用，又实现了功率分配或功率合成的作用，具有低损耗、适用范围广、结构简单和系统成本低的特点。

Description

一种馈电结构和用于移相器的馈电方法
技术领域
本发明属于通信技术领域，涉及一种馈电结构，能够用于移相器中利用一个波导口给2的正整数倍个传输线进行馈电。
背景技术
随着通信技术的快速发展，通信设备在往小型化、集成化方向发展。移相器作为相控阵单元的核心部件，对整个阵列的性能起着至关重要的作用。液晶移相器具有低损耗、易于小型化的优点，可以广泛用于波束赋形和波束控制的相控阵列。
传统的液晶移相器馈电方案一般是采用一个输入端口给一条传输线的一端馈电，传输线的另一端接输出端口，实现液晶移相器的端口连接，如图1所示。以2单元天线用的液晶移相器进行馈电为例，如图10所示，液晶移相器采用差分传输线结构，包括两个差分结构的第一传输线即差分传输线1和差分传输线2，假设天线单元为发射状态，射频信号经过一分二功分器将信号分配给馈电1波导口和馈电2波导口，然后分别经过差分传输线1和差分传输线2，再分别通过输出波导口1和输出波导口2到达天线单元1和天线单元2，通过单独控制差分传输线1和差分传输线2周围的直流电压实现天线单元1和天线单元2的独立移相。可以看出，2个差分传输线就需要两个输入波导口和两个输出波导口，且需要额外的功分器将信号进行功率分别后再分别输入到两个输入波导口。
发明内容
针对上述传统馈电方案中一个波导口只能给一个传输线馈电的不足之处，本发明提出一种馈电结构，并基于本发明提出的馈电结构提出了一种用于移相器的馈电方法，利用一个波导口给2的正整数倍个数的传输线馈电，且本发明提出的馈电结构不仅实现了对传输线的馈电，同时起着功率分配器或者功率合路器的作用，相比于传统的一个波导口馈一根传输线的馈电结构，节省了波导口的个数，减少了单独使用功分器或合路器的损耗，既具有结构简单的特点，也解决了某些高频情况下馈电结构空间不足的问题。
本发明的技术方案为：
一种馈电结构，包括2N个第一传输线、一个第一波导口和2N个第二波导口，N为正整数，所述第一波导口和第二波导口为包括一个输入端和一个输出端的传输线；所述2N个第一传输线的一端均连接所述第一波导口的一端，所述2N个第一传输线的另一端分别连接所述2N个第二波导口的一端；
当所述2N个第一传输线的一端连接的是所述第一波导口的输出端，所述2N个第一传输线的另一端分别连接的是所述2N个第二波导口的输入端时，所述馈电结构的输入信号从所述第一波导口的输入端输入，经过所述第一波导口进行功率分配后分别馈电至所述2N个第一传输线中，所述2N个第一传输线传输的信号分别从所述2N个第二波导口的输出端输出；
当所述2N个第一传输线的一端连接的是所述第一波导口的输入端，所述2N个第一传输线的另一端分别连接的是所述2N个第二波导口的输出端时，所述馈电结构的输入信号分别从所述2N个第二波导口的输入端输入到所述2N个第一传输线中，所述2N个第一传输线输出的信号在所述第一波导口内进行功率合成后从所述第一波导口的输出端输出。
具体的，所述第一波导口为矩形波导或脊波导，所述第二波导口为矩形波导或脊波导。
具体的，在所述第一波导口和/或第二波导口采用的波导中填充介质。
具体的，所述第一传输线为移相器中的传输线，所述移相器包括两层玻璃层和设置在所述两层玻璃层之间的填充层，所述填充层内填充有能够改变介质介电常数的可调谐材料，所述可调谐材料包括液晶材料；所述第一传输线设置在所述玻璃层表面并位于所述填充层内。
具体的，所述第一传输线为差分传输线或单条传输线。
具体的，所述第一传输线的两条差分传输线为锯齿状，且锯齿部分重叠。
具体的，采用差分传输线结构的所述第一传输线与所述第一波导口和第二波导口的连接处采用具有匹配功能形状的传输线，且所述第一传输线的两条差分传输线与第一波导口连接处的传输线镜像对称，所述第一传输线的两条差分传输线与第二波导口连接处的传输线镜像对称。
具体的，所述第一传输线采用差分传输线结构的所述移相器中还设置有分别与所述第一波导口和第二波导口匹配的短路匹配波导。
基于上述馈电结构，本发明还提出适用于移相器的馈电方法，技术方案如下：
一种移相器的馈电方法，所述移相器包括两层玻璃层和设置在所述两层玻璃层之间的填充层，所述填充层内填充有能够改变介质介电常数的可调谐材料；
在所述玻璃层表面并位于所述填充层内设置有2N个第一传输线，N为正整数；
所述移相器的馈电方法为：将所述2N个第一传输线的一端均连接到一个第一波导口的一端，将所述2N个第一传输线的另一端分别连接2N个第二波导口的一端，所述2N个第二波导口的另一端分别连接2N个天线单元，所述第一波导口和第二波导口为包括一个输入端和一个输出端的传输线；
当所述2N个天线单元为发射模式时，输入信号从所述第一波导口的输入端输入，所述第一波导口将输入信号进行功率分配后分别馈电至所述2N个第一传输线中，所述2N个第一传输线传输的信号分别从所述2N个第二波导口的输出端输出到所述2N个天线单元中进行发射；
当所述2N个天线单元为接收模式时，所述2N个天线单元分别接收输入信号并通过所述2N个第二波导口输入到所述2N个第一传输线中，所述2N个第一传输线输出的信号在所述第一波导口进行功率合成后从所述第一波导口的输出端输出；
通过单独控制所述2N个第一传输线周围的直流电压实现2N个天线单元的独立移相。
本发明的有益效果为：本发明利用一个第一波导口与2N个第一传输线连接进行馈电，第一波导口不仅能够实现不同传输线间的转换作用也具有功率分配或功率合成的作用，与传统馈电方法相比，本发明既降低了单独功分器或合路器的损耗，也减少了转换结构的复杂度、降低了系统成本；本发明适用范围广，既适用于液晶移相器，也适用于填充其他能够改变介质介电常数的可调谐材料的移相器，第一传输线既可以采用差分传输线结构，也可以采用单条传输线、或者具有传输线功能的其他传输线结构。
附图说明
图1是传统的一个波导口给一条传输线馈电的结构示意图。
图2是本发明提出的馈电结构在实施例中利用一个第一波导口给两个第一传输线进行馈电的结构示意图。
图3是本发明提出的馈电结构在实施例中利用一个第一波导口给四个第一传输线进行馈电的结构示意图。
图4是本发明提出的馈电结构在实施例中利用一个第一波导口给六个第一传输线进行馈电的结构示意图。
图5是本发明提出的馈电结构在实施例中采用脊波导的结构示意图。
图6是本发明提出的馈电结构在实施例中采用介质波导的结构示意图。
图7是无源相控阵发射状态工作框架图。
图8是液晶移相器包括单条差分传输线时的内部结构示意图。
图9是液晶移相器中单条差分传输线的整体结构示意图。
图10是传统馈电方案中用一个波导口给一对差分传输线进行馈电的结构示意图。
图11是利用本发明的馈电结构使用一个波导口给两对差分传输线进行馈电的结构示意图。
图12是能够应用于本发明提出的馈电结构中的一种差分传输线的具体结构示意图。
图13是能够应用于本发明提出的馈电结构中的另一种差分传输线的具体结构示意图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例详细描述本发明的技术方案。
如图8所示，移相器的上下两层为玻璃层，靠近玻璃层内侧设置有金属传输线即第一传输线，实施例中以图8所示液晶移相器的一条差分结构的第一传输线为例进行说明，但本发明也适用于第一传输线为单条传输线，或者具有传输线功能的其他传输线结构。差分传输线结构的第一传输线的两分支1-A、1-B分别位于上下玻璃层内表面，通过在液晶区域靠近玻璃层两端加直流电压(一般为0V～30V)来改变液晶材料的介电常数，以此来改变传输线的电长度(电长度为传输线物理长度与波长的比值)来达到改变相位的目的。两条差分传输线之间填充有能够改变介质介电常数的可调谐材料，本实施例以填充液晶材料为例进行说明，当采用液晶材料填充时，可以通过调节液晶材料所处的电压来改变其介电常数，来达到改变传输线相位的作用。值得说明的是，本发明的馈电方法不限于实施例中的具体传输线结构和具体填充材料，实施例中的液晶材料和传输线类型不对本发明做具体限制，例如图12所示结构就是一种能够应用于本发明中的差分传输线的具体示意图，差分传输线两端呈倒钩状。
第一传输线采用差分传输线时，差分传输线两条信号线上传输幅值相等、相位相反的电信号，当信号在一对差分传输线中传输时，两条线路之间噪声产生的场将相互抵消，相比单端传输线而言，采用差分传输线可以减少外部噪声，下面以第一传输线采用液晶移相器中的差分耦合传输线作为实施例说明发明方案，且具体实施例中为了重点描述方案差异性，只给出了传输线顶视时的波导及传输线。
具体实施例一：
如图2所示，利用一个第一波导口对2条差分传输线进行耦合馈电，第一波导口即图中的和波导口，第二波导口即图中的分波导口。在发射系统中该馈电结构同时起着一分二功分器的作用，同样的，在接收系统中该馈电结构相当于二合一合路器。可见本发明利用第一波导口既实现了馈电的作用，又实现了功率分配或功率合成的作用。本实施例中的馈电结构相比于传统的单个波导馈电一个差分传输线结构，省去了一个一分二功分器(或二合一合路器)和一个波导口，降低了馈电网络损耗，同时降低了系统成本。
具体实施例二：
如图3所示，本实施例利用一个第一波导口对4条差分传输线进行耦合馈电，该馈电结构同时起着一分四功分器或四合一合路器的作用。本实施例中的馈电结构相比于传统的单个波导馈电一个差分传输线结构，省去了一个一分四功分器(或四合一合路器)和三个波导口，一分四功分器一般为两级一分二功分器级联，相比于实施例一减小了一级一分二功分器馈电网络损耗，进一步降低了系统成本。
具体实施例三：
如图4所示，本实施例利用一个第一波导口对6条差分传输线进行耦合馈电，该馈电结构同时起着一分六功分器的作用或六合一合路器的作用。本实施例中的馈电结构相比于传统的单个波导馈电一个差分传输线结构，省去了一个一分六功分器(或六合一合路器)和五个波导口，相比于实施例一减小了一级一分三功器馈电网络损耗，进一步降低了系统成本。
类似的，本发明提出的馈电结构还能够利用一个第一波导口对2的其他正整数被个数的传输线进行馈电，这里不再进行详细说明。
具体实施例四：
第一波导口和第二波导口为包括一个输入端和一个输出端的传输线，具体可以使用矩形波导等结构。但是在某些高频使用具体场景中，矩形波导尺寸较大，因此第一波导口和/或第二波导口也可以使用脊波导，如图5所示，第二波导口即分波导口采用脊波导。实施例四在实施例一的基础上对该方法进行说明，不对该方法的使用范围做为限制，同样的该方法可以使用于实施例二或者实施例三。
具体实施例五：
可选的在某些场景中，空气波导尺寸较大，需要填充介质减小波导尺寸，以满足传输要求，因此第一波导口和/或第二波导口也可以采用介质填充的波导结构，如图6所示，在第二波导口填充介质。实施例五在实施例一的基础上对该方法进行说明，不对该方法的使用范围做为限制，同样的该方法可以使用于实施例二、实施例三或者实施例四。
具体实施例六：
在本实施例中，如图9耦合枝节所示，可以令第一传输线的两个差分传输线1-A和1-B成锯齿状，两条对应的差分传输线1-A和1-B锯齿部分重叠以此改善液晶移项的效果。同样的，图13相比图12结构，也通过将第一传输线的两个差分传输线呈部分重叠的锯齿状以改善液晶移项。具体实施例六在实施例一的基础上对该方法进行说明，不对该方法的使用范围做为限制，同样的该方法可以使用于实施例二、实施例三、实施例四或者实施例五。
具体实施例七：
对于采用差分结构的第一传输线，为了改善传输线转换接口处匹配，第一传输线与第一波导口和第二波导口的连接处可以采用阶梯形状的传输线结构，或者具有匹配功能的其他形状结构，如附图12和附图13匹配端采用倒钩状的传输线结构。为了保持差分信号的对称性，该匹配结构应该镜像对称，如图9所示。而传统的差分线馈电结构是在匹配枝节处加矩形波导，实现一个波导口给一对差分传输线馈电。具体实施例七在实施例一的基础上对该方法进行说明，不对该方法的使用范围做为限制，同样的该方法可以使用于实施例二、实施例三、实施例四、实施例五或者实施例六。
下面结合具体应用实例详细说明本发明的工作过程，以将本发明提出的馈电结构应用于相控阵天线系统中为例，在相控阵天线系统运用中，无论是有源相控阵还是无源相控阵都希望每个天线单元能够实现单独的相位控制，然后通过改变天线单元的相位来实现波束扫描。这里以无源相控阵发射状态为例来介绍其工作原理，同理的本发明同样适用于无源相控阵接收状态及有源相控阵系统中。无源相控阵发射状态工作框架图如图7所示，发射机发射射频信号，经过PA(功率放大器)放大后由功分器将功率分配到各个支路，然后经过移相器馈给天线单元，天线单元通过各自的移相器单独移相实现天线的波束扫描。类似的，当无源相控阵处于接收状态工作时，图7所示的天线单元接收信号，功分器对应替换为合路器。
假设系统处于发射状态，用本发明提出的馈电方法与传统馈电方法在液晶移相器给2个天线单元馈电进行说明。
如图10所示，传统馈电方法中射频信号经过一分二功分器将信号分配给馈电1波导口和馈电2波导口，然后分别经过差分传输线1和差分传输线2，再分别通过输出波导口1和输出波导口2到达天线单元1和天线单元2，通过单独控制差分传输线1和差分传输线2周围的直流电压实现天线单元1和天线单元2的独立移相。
而本发明提出的馈电方法利用一个第一波导口给两对差分传输线进行馈电，如图11所示，射频信号通过第一波导口实现了波导到差分传输线转换和一分二功分器的双重功能(同样的，系统处于接收状态时第一波导口实现的是波导到差分传输线转换和合路器的双重功能)，第一波导口将射频信号分配给两个第一传输线即差分传输线1和差分传输线2，再分别通过两个第二波导口即输出波导口1和输出波导口2到达天线单元1和天线单元2，通过控制两个第一传输线周围的直流电压实现天线单元1和天线单元2的独立移相。可见相比于图10所示的传统馈电方案，本发明用一个波导口实现了波导到差分传输线转换和一分二功分器的双重功能，一方面对系统链路来说减少了单独一分二功分器的损耗，同时馈电结构简单，成本低。尤其适用于某些高频环境下，单独馈电结构空间不足的问题。
具体实施例八：
为了实现波导与差分传输线转换间的阻抗匹配，可以在馈电端口的另一端加一段短路的匹配波导，短路匹配波导的作用是提高传输效率。如图11所示，第一波导口(即馈电波导口)另一端设置了馈电短路匹配波导口，两个第二波导口(即输出波导口1和输出波导口2)另一端分别设置了输出口1短路匹配波导口和输出口2短路匹配波导口。
综上所述，本发明提出的馈电结构利用一个第一波导口与2N个第一传输线连接，既实现了用一个波导口给2N个第一传输线馈电，实现不同传输线间的转换作用，又实现了功率分配或功率合成的作用，相比于传统馈电方法中利用一个波导口给一个传输线的一端馈电而言，不仅可以降低单独功分器或合路器的损耗，还可以进一步减少转换结构的复杂度和降低系统成本。本发明提出的馈电结构和馈电方法可以用于液晶移相器，或填充其他能够改变介质介电常数的可调谐材料的移相器中，适用的第一传输线可以采用差分结构或推广到其他的单条传输线，本领域的普通技术人员可以根据本发明公开的这些技术启示做出各种不脱离本发明实质的其他各种具体变形和组合，这些变形和组合仍然在本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种馈电结构，其特征在于，包括2N个第一传输线、一个第一波导口和2N个第二波导口，N为正整数，所述第一波导口和第二波导口为包括一个输入端和一个输出端的传输线；所述2N个第一传输线的一端均连接所述第一波导口的一端，所述2N个第一传输线的另一端分别连接所述2N个第二波导口的一端；
当所述2N个第一传输线的一端连接的是所述第一波导口的输出端，所述2N个第一传输线的另一端分别连接的是所述2N个第二波导口的输入端时，所述馈电结构的输入信号从所述第一波导口的输入端输入，经过所述第一波导口进行功率分配后分别馈电至所述2N个第一传输线中，所述2N个第一传输线传输的信号分别从所述2N个第二波导口的输出端输出；
当所述2N个第一传输线的一端连接的是所述第一波导口的输入端，所述2N个第一传输线的另一端分别连接的是所述2N个第二波导口的输出端时，所述馈电结构的输入信号分别从所述2N个第二波导口的输入端输入到所述2N个第一传输线中，所述2N个第一传输线输出的信号在所述第一波导口内进行功率合成后从所述第一波导口的输出端输出。
2.根据权利要求1所述的馈电结构，其特征在于，所述第一波导口为矩形波导或脊波导，所述第二波导口为矩形波导或脊波导。
3.根据权利要求2所述的馈电结构，其特征在于，在所述第一波导口和/或第二波导口采用的波导中填充介质。
4.根据权利要求1至3任一项所述的馈电结构，其特征在于，所述第一传输线为移相器中的传输线，所述移相器包括两层玻璃层和设置在所述两层玻璃层之间的填充层，所述填充层内填充有能够改变介质介电常数的可调谐材料，所述可调谐材料包括液晶材料；所述第一传输线设置在所述玻璃层表面并位于所述填充层内。
5.根据权利要求4所述的馈电结构，其特征在于，所述第一传输线为差分传输线或单条传输线。
6.根据权利要求5所述的馈电结构，其特征在于，所述第一传输线的两条差分传输线为锯齿状，且锯齿部分重叠。
7.根据权利要求5或6所述的馈电结构，其特征在于，采用差分传输线结构的所述第一传输线与所述第一波导口和第二波导口的连接处采用具有匹配功能形状的传输线，且所述第一传输线的两条差分传输线与第一波导口连接处的传输线镜像对称，所述第一传输线的两条差分传输线与第二波导口连接处的传输线镜像对称。
8.根据权利要求7所述的馈电结构，其特征在于，所述第一传输线采用差分传输线结构的所述移相器中还设置有分别与所述第一波导口和第二波导口匹配的短路匹配波导。
9.一种移相器的馈电方法，所述移相器包括两层玻璃层和设置在所述两层玻璃层之间的填充层，所述填充层内填充有能够改变介质介电常数的可调谐材料；
其特征在于，在所述玻璃层表面并位于所述填充层内设置有2N个第一传输线，N为正整数；
所述移相器的馈电方法为：将所述2N个第一传输线的一端均连接到一个第一波导口的一端，将所述2N个第一传输线的另一端分别连接2N个第二波导口的一端，所述2N个第二波导口的另一端分别连接2N个天线单元，所述第一波导口和第二波导口为包括一个输入端和一个输出端的传输线；
当所述2N个天线单元为发射模式时，输入信号从所述第一波导口的输入端输入，所述第一波导口将输入信号进行功率分配后分别馈电至所述2N个第一传输线中，所述2N个第一传输线传输的信号分别从所述2N个第二波导口的输出端输出到所述2N个天线单元中进行发射；
当所述2N个天线单元为接收模式时，所述2N个天线单元分别接收输入信号并通过所述2N个第二波导口输入到所述2N个第一传输线中，所述2N个第一传输线输出的信号在所述第一波导口进行功率合成后从所述第一波导口的输出端输出；
通过控制所述2N个第一传输线周围的直流电压实现2N个天线单元的独立移相。
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