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多端口射频信号变换网络

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CN1160306A CN 97100788 CN97100788A CN1160306A CN 1160306 A CN1160306 A CN 1160306A CN 97100788 CN97100788 CN 97100788 CN 97100788 A CN97100788 A CN 97100788A CN 1160306 A CN1160306 A CN 1160306A
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埃里克L·克伦茨
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Abstract

提供一种变换网络,连接在一个不平衡端口和多个不同定相平衡端口之间。一个平衡-不平衡变换器具有一个扼流圈并将不平衡端口连接到一对平衡节点。在平衡-不平衡变换器上设置一个附加节点。第一和第二不平衡相移传输线具有一个连到平衡-不平衡变换器的附加节点的共用接地导体。当这些传输线的另一端耦合到平衡-不平衡变换器的平衡节点并且这些传输线的共用接地导体连接到平衡-不平衡变换器的附加节点时由这些第一和第二不平衡相移传输线的中心导体构成一个相移平衡端口。

Description

多端口射频信号变换网络

本发明涉及信号变换网络,特别是涉及在线路上调节相位和幅度平衡的无源多端口射频信号变换网络。

许多无线通信系统,最明显的是移动和便携卫星系统要求用户单元上的圆形极化天线较小。诸如正交偶极天线、方或圆形微带接线天线或绞合交叉环形天线之类这些较小的圆形极化天线要求天线的两种受激模式有90°相移。诸如正交偶极天线和绞合交叉环形天线之类的大多数这类天线对于平衡馈电也是需要平衡-不平衡变换器(平衡-不平衡网络)的固有平衡结构。平衡-不平衡变换器将来自无线收发信机的不平衡传输系统变换成针对天线的平衡馈电系统。本领域中已知的大多数外部平衡-不平衡变换器和移相器/功率分配器过于庞大并引入过量的信号损耗。

可使用这些圆形极化天线的一些自定相方案以便在没有外部移相器的情况下产生圆形极化辐射。这是通过在相反方向将两种模式的谐振频率略微偏离额定频率进行的,以便该模式的输入阻抗的电抗分量适当地产生由一单个外加电压源造成的定相电流。沿对角线馈电的近似矩形的接线天线探测器是这类结构的一个实例,如同环路间长度不同的绞合交叉环形天线。然而,自定相天线在频带宽度上通常比外部定相天线(非自定相天线)更受限制。由于自定相天线的自定相对带宽的限定超过了对例如诸如阻抗匹配特性和方向图特性之类任何其它特性的限定,因此会限定天线的带宽。外部定相天线比自定相天线保留了更大的自由度以达到诸如较好的天线方向图之类其它天线性能的目标。较好的天线方向图在使移动或便携卫星收发信机具有较好全向性能的角度范围内获得更好的增益。

需要改善外部定相非自定相天线。需要非自定相天线外部提供平衡-不平衡网络和提供相移网络两种功能。为提供相移,需要一种紧凑、高性能和低成本的网络并需要在平衡和不平衡线路之间转换。从而可在消费市场上供应更紧凑的便携式卫星收发信机。

图1是变换网络的电等效电路示意图;图2是根据变换网络第一实施例的同轴设备的透视图;图3是根据变换网络第二实施例的微带设备的分解透视图;图4是根据变换网络第三实施例的带状传输线设备的分解透视图;图5和6是根据变换网络第四实施例的混合设备;和图7是具有说明变换网络向其天线馈电的剖面图的无线收发信机的透视图。

结合附图阅读下面的详细描述时将使本发明的结构和特性变得更加显而易见。

图1是在单个、紧凑结构中设置有功率分配器、正交相移网络和平衡-不平衡变换器的变换网络的电学等效电路。一个施加到不平衡端口110上的不平衡信号在两个平衡端口120和130之间将分配成均等功率。在平衡端口130得到的信号分量相对于在平衡端口120得到的信号分量具有90°相移。通过名义上无衰减的变换网络可将施加到平衡端口120和130的适当定相的正交信号和在不平衡端口110输出的不平衡信号组合起来。

该变换网络在不平衡端口110采用扼流圈140并在相移平衡端口130采用两条不平衡相移传输线150和155。扼流圈140和不平衡馈线160为到两条不平衡相移传输线150和155的连接提供平衡-不平衡变换器(平衡-不平衡网络)。在图1的实例中,扼流圈140的长度最好是所感兴趣的频率的四分之一波长(λ/4)。该四分之一波长扼流圈可具有四分之一波长任何奇数倍(1/4、3/4、5/4等)的长度。另一方面,可将一个开端式扼流圈用于所有偶次谐波(1/2、1、3/2等)。

在相移平衡端口130的两条相移传输线150和155依据在相移平衡端口130所要求的相移数量具有长度L。发明人已经发现当两条传输线150和155中每一条的信号导线连接到平衡-不平衡变换器165的两个输出时和与两条传输线150和155的地电位连接到该平衡-不平衡变换器的一个附加节点145时,两条相移传输线150和155在平衡端口130提供相移和平衡输出。平衡-不平衡变换器的附加节点145为平衡-不平衡变换器165的平衡输出端口提供差分参考。由平衡-不平衡变换器的附加节点145提供的差分参考连接到两条不平衡传输线150和155的接地导体。虽然将由相移平衡端口130提供的例如90°相移馈送到正交天线,可提供任何所要求相移量的输出。可设置两或多对相移传输线以提供三个或多个平衡端口。最好不使用任何相移传输线直接连接相移为0°的平衡端口120,从而可在每个不平衡端口设置相移传输线对。

四分之一波长扼流圈140可以是所说明的同轴型或是带状传输线型。另外,扼流圈140可以交替为同轴、带状传输线或三板型四分之一波长扼流圈。通过在信号经传输线传播时延迟信号可实现相移。因此,通过相位延迟产生相移。

当平衡-不平衡变换器的一个附加节点145连接到两条不平衡相移传输线150和155的接地导体时,平衡-不平衡变换器的附加节点145变成不同相位平衡端口120和130的差分参考节点,两条不平衡相移传输线150和155的中心导体形成相移平衡端口130的两个信号导体。

图2说明根据变换网络第一实施例的同轴设备的透视图。一条典型的50欧姆同轴不平衡馈线260将不平衡端口210连到平衡端口220之一。由与馈线260同轴的套管240构成的四分之一波长扼流圈形成一个平衡端口220。四分之一波长扼流圈240和不平衡馈线260的该结构构成一种被称为超高频平衡-不平衡变换器的平衡-不平衡变换器。套管240最好是充空气的扼流圈。

50欧姆同轴电缆的两个U形链路构成平衡相移传输线250和255。U形平衡相移传输线250和255最好配置在套管240内部,焊接到套管240的内表面。可通过将其焊接到套管240的外表面以另一种构造安装U形相移传输线250和255。当U形相移传输线250和255设置在套管240的内表面而不是外表面时,该结构的整个直径更小并略微减小超高频平衡-不平衡变换器的有效带宽。这些长度1相等的同轴相移传输线250和255具有四分之一波长的电长度以便在相移平衡端口230提供90°相移。这些相移传输线250和255最好由易于得到的50欧姆同轴电缆制成,而不平衡馈线260最好由50欧姆同轴电缆制成。每条相移传输线250和255一端的中心导体251和257连到馈线260的中心导体和外导体。每条相移传输线250和255另一端的中心导体253和259一起构成相移平衡端口230。不平衡馈线260的中心导体和屏蔽罩构成0°相移平衡端口220。由套管240端部的开路阻抗保证端口220和230二者平衡。套管240还起到把相移传输线250和255的外导电屏蔽罩与不平衡馈线260和天线二者或其它连到平衡端口220和230的平衡系统绝缘的作用。套管240执行三种功能:该套管作为一个超高频平衡-不平衡变换器,套管把相移传输线250和255与其余电路绝缘和该套管作为提供参考的附加节点连接到相移传输线250和255的外部导体。至此还没有变换网络能具有简单单一结构并在一个简单结构中提供平衡-不平衡变换器和相移网络。

50欧姆的相移传输线250和255借助其连在一起的屏蔽罩构成一条100欧姆的平衡传输线,其传播速度与50欧姆传输线中的相同。这是由于分布电感加倍(同样电流的每单位长度存储两倍磁能)而分布电容减半(每单位长度串联放置了原始电容的两个单位)。特性阻抗加倍和相速保持不变。在每个平衡端口220和230得到的电特性阻抗为100欧姆。

图3说明根据变换网络第二实施例的微带设备的分解透视图。图3的微带结构由介质层420上的薄金属带410和415、接地平面430、和介质层450上的薄金属带440和445构成。通路460和465将薄金属带415和410连接到相应的薄金属带440和445。由大通孔470和475将通路460和465与接地平面430隔开。通路460将薄金属带415的端点417连接到薄金属带440的端点441。同样,通路465将薄金属带410的端点411连接到薄金属带445的端点447。当薄金属带440和445在所感兴趣的工作频率的电长度等于四分之一波长时,在与连接点441和447相对的薄金属带440和445的端部构成90°相移平衡端口330。在相应连接点411和417处的薄金属带410和415的端部构成另一个0°相移平衡端口320。在薄金属带410的相对端和接地平面430的对应部分构成不平衡端口310。

在下面带有接地平面430的介质420上形成的薄金属带410和415在薄金属带410和接地平面430之间形成微带传输线并由薄金属带415和接地平面430形成半波长传输线。薄金属带415为之字形状,以使连接点417接近连接点411而仍保持半波长传输线特性。半波长传输线作为半波平衡-不平衡变换器或具有接地平面430的附加节点的扼流圈。接地平面430的该附加节点构成相移传输线440和445的外部或接地导体。图3的微带结构便于在同一紧凑结构中提供一个平衡-不平衡转换网络和一个相移网络。

图4说明根据传输网络第三实施例的带状传输线结构的分解透视图。由接地平面620和630之间的介质层640和650所夹的薄金属带610构成不平衡馈线传输线。当也是同样夹在接地平面620和630以及介质层640和650之间时薄金属带660构成半波长传输线。半波长传输线可以是二分之一波长的任何奇数倍(1/2、3/2、5/2等)以构成半波长平衡-不平衡变换器。当薄金属带670和680夹在其相应的接地平面之间时构成相移传输线。薄金属带670由接地平面620和690之间的介质710和720所夹持。同样,薄金属带680夹在接地平面630和730以及介质层740和750之间。薄金属带610由位于连接点613的通路760在连接点671连接到薄金属带670。薄金属带660的外端同样由位于连接点661的通路770在连接点681连接到薄金属带680的一端。通孔621和631设置在相应的接地平面620和630中,以使通路760和770从此处通过而不与接地平面620和630电连接。

薄金属带670和680在所感兴趣的工作频率构成四分之一波长相移传输线。如图4所示,在与相应连接点671和681相对的端部由薄金属带670和680构成的相移传输线的端部形成90 °相移平衡端口830。0°相移平衡端口820设置在薄金属带610不平衡馈线的连接点613和薄金属带660半波长传输线的连接点661之间。不平衡端口810设置在薄金属带610不平衡馈线的反向端和接地平面630或620任何一个的对应邻近部分,如图4所示。

接地平面620、630、690和730的每一个由多个通路,例如所说明的通路780电连接在一起,以使整个接地平面保持等电位。诸如图4所说明的通路780之类的通路应整个放置在带状传输线结构。

图5说明根据变换网络第四实施例的混合结构的透视和剖面图。图6说明图5的变换网络混合结构的俯视图。一个充空气的矩形金属盒底端封闭顶端打开同轴地围绕不平衡馈线960。该矩形金属盒940的长度最好等于所感兴趣频率波长的四分之一。与同轴不平衡馈线960同轴构成的金属盒提供超高频型平衡-不平衡变换器。同轴不平衡馈线960将不平衡端口910连到变换网络。

U型薄金属带1010和1020配置在相应的介质材料1030和1040内部。介质材料1030和1040固定在矩形金属盒940的相反侧。因此,U型薄金属带1010和1020采用金属盒940作为其接地平面。因此,金属盒适合起两个作用,形成为U型薄金属带1010和1020提供接地平面的带状传输线和提供平衡-不平衡变换器。从而由U型薄金属带1010和1020和矩形盒940的对应接地平面形成两条相移传输线。不平衡馈线960的外导体在顶端连接到U型薄金属带1010上的连接点957。同样,不平衡馈线960的内导体在顶端连接到U型薄金属带1020的连接点951。从而在连接点957和951之间提供0°相移平衡端口930。由于每条U型薄金属带1010和1020构成四分之一波长传输线,横跨U型薄金属带1010和1020的相对端提供90°相移平衡端口920。

介质1030的周边表面1050、1051和1052应被金属化以使U型薄金属元件在其之间构成带状传输线。另一方面,如果介质1030外表面1050、1051和1052未被金属化,则可由U型薄金属带1010构成微带。另一种介质材料1040的外表面1053、1054和1055同样应被金属化以构成带状传输线或另外构成微带传输线。带状传输线和微带传输线二者都可使用;然而,带状传输线的实施比微带传输线更复杂。但是,带状传输线被完全屏蔽防止相移线之间所不希望的相互作用并更好地屏蔽附近的RF分量。

图7说明带有天线组件连到枢轴点的便携无线电话发射机1110。以经变换网络1140连到无线电话发射机1110的天线组件的剖面图说明诸如四rifilar螺线天线(也称为绞合式交叉环形天线)之类的交叉环形天线元件。无线电话发射机1110连接到变换网络1140的不平衡端口。变换网络1140两个平衡端口的每一个连接到交叉环形天线1130的相应环路。

虽然在上面的描述和附图中已描述和说明了本发明,可以理解,该描述仅作为实例,本领域技术人员在不脱离本发明精神和范围的情况下可对其做出多种变化和改进。本发明可应用于模拟以及数字话音、数据和寻呼卫星系统。本发明也可应用于需要小型天线和均匀方向图的便携无线电的地面天线。本发明具有便携无线电的尺寸优点,本发明还具有固定和移动无线电的优点。需要在诸如各种信号发生器和信号分析器或其它类似测试设备之类的一个不平衡和多个平衡相移端口之间变换的其它设备也可使用该变换网络。

Claims (10)

1.一种无源多端口射频信号变换网络,能够连接在一个不平衡端口和多个不同定相的平衡端口之间,包括:一个包括由不平衡端口组成的第一对节点、一个第二对平衡节点和一个附加节点的平衡-不平衡变换器;和第一和第二不平衡相移传输线,由一个信号导体和一个接地导体定义该第一和第二不平衡相移传输线中的每一个,其中第一不平衡相移传输线的信号导体操作地连接在平衡-不平衡变换器的第二对节点之一的第一端,其中第二不平衡相移传输线的信号导体操作地连接在平衡-不平衡变换器的第二对节点之另一个的第一端,其中第一和第二不平衡相移传输线的接地导体操作地连接到平衡-不平衡变换器的附加节点,和其中第一和第二不平衡相移传输线的信号导体的第二端构成该多个不同定相平衡端口之一。
2.根据权利要求1所述的无源多端口射频信号变换网络,其中平衡-不平衡变换器的第二对节点构成该多个不同定相平衡端口中的另一个。
3.根据权利要求2所述的无源多端口射频信号变换网络,其中第一和第二不平衡相移传输线二者具有基本相等的电长度,足以在该多个不同定相平衡端口中的两个之间获得所需的相移;其中该网络在所感兴趣的频率变换信号;和其中第一和第二不平衡相移传输线的电长度在所感兴趣的频率为四分之一波长,以便在两个平衡端口之间提供正交相移。
4.根据权利要求3所述的无源多端口射频信号变换网络,其中第一和第二不平衡相移传输线二者具有基本相等的特性阻抗。
5.根据权利要求2所述的无源多端口射频信号变换网络,其中第一和第二不平衡相移传输线分别包括使其接地导体相互连接的同轴传输线和平衡-不平衡变换器的附加节点。
6.根据权利要求5所述的无源多端口射频信号变换网络,其中四分之一波长扼流圈包括一个封闭端靠近不平衡端口并与连接到不平衡端口的不平衡馈线同轴的长导电套管,不平衡馈线使其接地导体在封闭端连接到长导电套管。
7.根据权利要求2所述的无源多端口射频信号变换网络,其中第一和第二不平衡相移传输线包括薄金属带并且至少一条对应于连接到平衡-不平衡变换器附加节点的接地平面;和其中介质配置在平衡-不平衡变换器和不平衡相移传输线的薄金属带之间的平衡-不平衡变换器上。
8.根据权利要求7所述的无源多端口射频信号变换网络,其中薄金属带和至少一个对应的接地平面构成微带传输线。
9.根据权利要求7所述的无源多端口射频信号变换网络,其中薄金属带和至少两个对应的接地平面构成带状传输线。
10.根据权利要求7所述的无源多端口射频信号变换网络,其中平衡-不平衡变换器包括一个四分之一波长扼流圈;和其中四分之一波长扼流圈包括一个封闭端靠近不平衡端口并与连接到不平衡端口的不平衡馈线同轴的长导电套管,不平衡馈线使其接地导体在封闭端连接到长导电套管。
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