CN1170336C - 连续可调移相器 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种天线阵可调移相器，用于调节天线阵的辐射波束方向。该移相器包括介质片(2)，滑片(3)，耦合片(8)，传输线板(4)，其中，滑片(3)由上下两条构成空气微带传输线；耦合片(8)由上下对称的两片金属片与介质片(2)构成平行传输线，并通过介质夹块(6)支撑固定在滑板(3)的外部；传输线板(4)采用渐变曲折线微带结构与金属片(8)相连接，传输线板4将输入的射频信号T₀分解至少两路的输出信号，任意进行功率分配，并将其中的一路容性连到金属滑板(3)的两端移相后，分别给各辐射单元，另一路直接接到辐射单元。本发明的频带范围为800MHz～3GHz，移相范围可变，通过改变滑片3的长度获得不同范围的波束扫描角度，用该移相器可对多元天线阵的辐射波束调节。

Description

连续可调移相器

技术领域：

本发明涉及一种天线部件，具体的说是一种连续可调移相器。该连续可调移相器特别适用于波束扫描，且对副瓣形状进行改变的阵列天线。

背景技术：

众所周知，移相器是改变阵列天线波束扫描的关键部件。现有天线阵中所使用的各种结构的移相器均存在不同程度的缺陷。例如，图8所示的中国专利96193925.7，是由三个单元组成的天线阵。该天线阵的移相器是由介质微带板16，介质滑动板17，金属底板18构成。介质微带板16上刻有微带线19和分支线20。当介质滑动板17沿z向移动时，与辐射体c连接的微带曲线段内的信号传输速率被减小，与辐射体e连接的微带曲线段内的信号传输速率被增加。造成e相位超前，c相位滞后，各自相对于中间的辐射单元d的相位差分别是+β，-β，以此实现波束扫描。这种相位器存在有如下三方面的不足：

(1)假设介质滑动板的有效介电常数ε_r≥1，设空气中的波长为λ₀，要获得1，2的输出相位变化分别为+β，-β，介质滑块要移动的距离S为： $s=\frac{\mathrm{\β}\·{\mathrm{\λ}}_0}{2\mathrm{\Π}(\sqrt{{\mathrm{\ϵ}}_r}-1)},$ 必须要求有高效介电常数的材料，才能实现有限的移动距离内获得一定的移相量β，而这种材料的价格是非常昂贵的。

(2)介质所到之处会带来传输线特性阻抗的变化，对应的关系基本可用公式 $Z_g=\frac{Z_0}{\sqrt{\frac{{\mathrm{\ϵ}}_r+1}{2}}}$ 来近似地描述；其中Z₀为介质滑片未到之前的微带传输线的特性阻抗，Z_g为介质滑片滑到后的微带线特性阻抗。不难看出ε_r越大，介质片对特性阻抗的影响就越大，使馈线网络中阻抗失配就越严重，自然会带来反射的增大和电压驻波比的急剧变坏；

(3)随着ε_r的增大，介质片带来的插入损耗也迅速增大，而高ε_r低插入损耗的介质是很难得到的，而且价格极其昂贵。如果使用低ε_r的材料，要得到相同的相移，介质块滑动的距离s就很大，必然会造成整个移相器的体积增大，这对于天线内部极其有限的空间又是一个难题，而且即便是ε_r较小，还是不可避免地有特性阻抗的变化，造成驻波变坏。虽然该技术又采用了在介质滑片两端各加一个梯形变换段来解决这一问题，但由于这种梯形变换段的长度最短为 所以整个移相器的尺寸又要增长

可见这种移相器在减小体积，降低损耗，避免失配，降低成本等几个方面均存在着很大的弊端。

图7(a)给出了申请号为94193994.4的另一可变差分移相器。该技术是由两个相互垂直的同轴线构成，其中同轴线21的外导体的侧臂开有一长条缝隙22(图中未画出)，同轴线23的内导体24从缝隙22中穿过，与套在同轴线21的内导体上的可动滑套26连接。同轴线23的外导体25与套在同轴线21的外导体上的可动滑套26连接，通过内外滑套将同轴线21的能量耦合到同轴线23上，也可以将同轴线23的能量耦合到同轴线21上。通过改变内外滑套的位置，可以改变同轴线21的两端口的输出信号的传输路径，实现改变相位的目的。该技术的缺点是：

(1)在需要较大移相量时，同轴线21的开口缝隙22势必要很长，而同轴线的外导体的缝隙泄露电磁能量是很大的，如果采用加长可动滑套26的长度，则该长度至少是缝隙长度的2倍；

(2)同轴线21的缝隙22处所缺的外导体是由滑套26来替代的，由于滑套26的内径比同轴线21的外导体内径大，造成缝隙所在处同轴线21的特性阻抗比没有缝隙处的特性阻抗大，所以阻抗不匹配；

(3)该技术的阻抗变换段是由

同轴线23构成，由于

是与频率f₀紧有关，当频率变化时，同轴线23的长度将不再是

因此，阻抗变换段就不能很好地实现阻抗变换的功能，存在阻抗带宽较窄的不足；

(4)由于该技术采用同轴线“T”形分支，同轴线23无法再分开为多路，所以它要给多单元天线阵馈电时，必须采用多个移相器串并联级联的方式，必然造成多个移相器的插入损耗串联迭加的现象；

(5)由于该技术所用的内外滑套26、24不等长，必然导致内外套耦合电流不平衡，就会在同轴线21的外导体外壁上引起电流，导致能量损失。

(6)用一个移相器不能实现对多辐射单元移相馈电，例如，要对四个辐射单元移相馈电，必须要三个移相器串并联组合，如图7(b)所示，结构复杂，使用不便。

发明的内容：

本发明的目的是克服上述已有技术的不足，提供一种插入损耗低，移相范围大，阻抗匹配好的连续可调移相器。，以实现同时给多个辐射单元组成的天线阵馈电。

实现本发明目的技术关键是采用了兼有任意分配功率功能的馈电网络，构成一端输入信号多端输出信号的多端移相器。整个移相器包括滑动机构、耦合网络、匹配网络三大部分，通过控制滑动机构连续移动的路径长度，控制输出信号分量的相位差。其中，滑动机构是由上下两层金属滑片3构成一个空气微带传输线；耦合网络由介质夹块6支撑上下对称的两片金属片8构成平行传输线，固定在金属滑片3的外部；匹配网络采用渐变曲折线结构组成微带传输线板4，并与金属片8相连接；微带传输线板4将输入的射频信号T₀分解为至少两路，分别传送给天线阵的各辐射单元。

上述移相器中的微带传输线板4，其微带线由一条宽度不等的主馈曲折线10和多条宽度不等的分支馈曲折线构成，各段曲折线的长度均为半个波长，以实现良好的阻抗匹配。

上述的移相器的微带传输线板4，其微带线中的主馈曲折线10在经过半个波长后，分开为两条传输线分支11和12，该两条分支线在叉口处采用不等宽线获得不等功率分配，将输入的射频信号T₀分解为T1和T2两路，其中一路T1通过耦合片8耦合到金属滑片3的两端T3和T4，传送给两个辐射单元，另一路T2直接与同轴线连接传送给又一辐射单元。T3，T4输出信号的相位相对于输入信号T₀的相位可连续变化，而T2输出信号的相位相对于输入信号T₀有不变的相位差，组成三元天线阵列。

上述移相器，若将金属滑片3的两端输出T3和T4与微带传输线板4输出的T2三个端口，分别通过同轴线15连接到两两并接的辐射单元14上，可组成六元天线阵列。

上述移相器的金属滑板3组件设为A、B两套，微带传输线板4的两端分别与两金属滑板3组件连接。微带传输线板4中的主馈曲折线10分开为三条分支传输线11、12、13，将输入的射频信号T₀分解为T1、T2、T5三路，其中T1和T5分别通过A、B金属滑板移相，输出为T3、T4、T6、T7四路相位变化的信号分别到各辐射单元，T2输出相位不变的信号直接到另一辐射单元，组成五元天线阵列；若将辐射单元两两并接，再分别通过同轴线15与该五路输出信号连接，可组成十元天线阵列。

上述移相器的耦合片8与滑片3平行的边长最佳参数为 微带传输线各段曲折线的长度均为半个波长，滑片3构成的传输线的特性阻抗为Z₀，耦合片8构成的传输线的特性阻抗为 其他输出端口T1、T5的特性阻抗为 通过微带曲折线阻抗变换，使输入口T₀的特性阻抗等于其输入阻抗为Z₀，再与特性阻抗为Z₀的同轴线连接，实现阻抗匹配。

本发明由于上下滑片构成一个空气微带传输线，因而插入损耗远比介质滑块小，移相范围大；同时由于本发明采用微带板传输线的结构，可将一个输入信号分解为多路输出，故可实现用一个移相器为多个辐射单元馈电移相和任意进行功率分配及阻抗匹配，提高天线阵增益。实测表明，本发明的频带范围为800MHz～3GHz，移相范围灵活可变，通过改变滑片3的长度实现不同的移相范围，以获得不同范围的波束扫描角度，而且对天线的增益影响很小，如图5所示。在波束从0度扫描到13度的过程中，天线的增益G变化小于0.5dB，有很好地下副瓣提升，上副瓣抑制的效果和明显的下副瓣的“零值”填充效果。具有可减小蜂窝内盲区面积，改善通信质量，匹配性能好，生产成本低的优点，特别适合于批量的工业生产。

附图说明：

图1为本发明使用两条分支微带传输线板的结构图

图2为本发明使用三条分支微带传输线扳的结构图

图3为本发明将图1用于含有六个辐射单元的波束扫描天线阵实例图

图4为本发明将图2用于含有十个辐射单元的波束扫描天线阵实例图

图5为图3所示的六元天线阵的实测方向图

图6为图4所示的十元天线阵的实测方向图

图7(a)为背景技术“T”形移相器结构图

图7(b)为背景技术的移相器串并联组合，组成的四元天线阵示意图

图8为背景技术中由三单元组成的天线阵

具体实施方式：

参见图1，本发明的连续可调移相器1主要由滑片3，传输线板4，耦合片8组成。滑片3由上下两片组成，两端通过介质卡块7支撑固定，构成特性阻抗为Z₀的上下两条平行线传输线，在下滑片3(或上滑板3)两端固定有输出端子T3，T4，用以与Z₀的同轴线连接。耦合片8是由上下两片组成的“中”字型结构，采用1mm厚铜板制成，该两片耦合片8与介质片2由一对介质夹块6支撑，并通过介质销钉9锁定，平行固定在上下滑板3的外部，构成特性阻抗为 的平行线传输线，且边长最好为

介质销钉9从介质卡块6中插入，将上下耦合片8和上下介质片2固定在一起。介质片2采用厚度为0.5mm的聚四氟乙烯片，位于耦合片8与滑板3之间，以减小耦合片8与滑片3之间的摩擦，和滑动过程中因偶合片8与滑板3的间隙的微小变化带来的耦合阻抗的变化。传输线板4的外部固定有屏蔽盒5，插接在上下耦合片8的一端。传输线板4采用微带结构，该微带传输线由不等宽曲折主馈线10和不等宽曲折分馈线11、12组成。不等宽曲折线10最好使用渐变微带线结构，长度为 输入信号由T0输入，传给主馈线10，由分馈线11、12输出信号，即主馈线10在经过

长度之后分开为两条传输线分支11、12，在叉口处采用不等宽线即不等输入阻抗并联，获得不等功率分配。功率分配后将分支线12的输出信号T1通过耦合片8，容性地耦合到上下滑片3上，通过金属滑片3的两端T3和T4输出两个相位变化的信号分别连接到两个辐射单元，另一路11通过同轴线端口T2直接和与另一辐射单元相连，组成三元天线阵列。微带传输线各段曲折线的长度均为半个波长，输出端口T1的特性阻抗为 T2的特性阻抗为Z₀。通过微带曲折线，将阻抗变换，使输入口T₀的特性阻抗(等于输入阻抗)为Z₀，再与特性阻抗为Z₀的同轴线连接，实现整个移相器馈电网络的良好匹配。

参照图2，本发明是由两块滑片3组件A、B与微带传输线板4组成的多端口输出移相器。微带传输线板4的两端分别与滑片3组件A、B相连接，其中传输线板4采用三条不等宽的曲折分支线11、12、13，构成。输入的射频信号T₀经过主馈线10分解为T1、T5、T2三路输出，其中T1和T5分别通过A、B金属滑板移相，输出为T3、T4、T6、T7四路相位变化的信号分别送到各辐射单元，T2输出的无相位变化信号直接与另一辐射单元连接，组成五元天线阵列。

图3中，14表示辐射单元，15表示同轴线，虚线框内示意图表示图1所示的移相器构件1，该移相器1的三个输出口功率不相等。将辐射单元14两两并接，分别连接到移相器构件1的T2、T3、T4三个输出端可组成含有六个辐射单元的天线阵。这种连接是一种比较“经济”实用的使用本移相器的方法，在波束扫描小于13度的情况下，这种移相器基本可以做到天线增益变化小于0.5dB。无须多个级连，减小了因移相器串联数目的增多带来的插入损耗的增大。

图4中，14表示辐射单元，15表示同轴线，虚线框内示意图表示图2所示的移相器构件，该移相器的五个输出口功率不相等。将辐射单元14两两并接，分别连接到移相器构件的T2、T3、T4、T6、T7五个输出端，可组成含有十个辐射单元的天线阵。这种连接也是一种比较“经济”实用的使用本移相器的方法，可以做到波束扫描10度，而增益变化小于0.5dB。

上述传输线板4的微带结构也可由一条宽度不等的曲折线10构成，10的输出端为T1，与耦合片8连接，将能量偶合到滑片3上，用同轴线将滑片三两端输出口T3，T4与两个辐射单元相连，以用于对增益要求不高的天线阵进行移相。

图5表明，本实用新型利用GSM900基站天线按图3组成的天线阵，其测试频率为中心频率915MHz，在波束从0度扫描到13度的过程中，天线的增益G变化小于0.5dB，而且有很好地下副瓣提升，上副瓣抑制的效果，还有很明显的下副瓣的“零值”填充效果，这对减小蜂窝内盲区面积，改善通信质量，减小基站间干扰是非常有效的，特别适合于网络优化。

图6表明，本实用新型利用GSM900基站天线按图4组成的天线阵，其测试频率为中心频率915MHz，这种结构实现的天线阵的增益很高，达到18dBi以上，水平波束宽度为65度，在波束从0度扫描到10度的过程中，天线的增益G变化小于0.5dB，而且在部份角度时有很好地下副瓣提升，上副瓣抑制的效果。

本发明并不限于上述给出的实施方案，本领域技术人员在本发明的构思下，可作出不同的变形。

Claims (6)

1.一种连续可调移相器，包括滑动机构，耦合网络和匹配网络，通过控制滑动机构连续移动的路径，控制输出信号分量的相位差，其特征在于滑动机构是由上下两层金属滑片(3)构成一个空气微带传输线；耦合网络由介质夹块(6)支撑上下对称的两片金属片(8)构成平行传输线，固定在金属滑片(3)的外部；匹配网络采用渐变曲折线结构组成微带传输线板(4)，并与金属片(8)相连接，微带传输线板(4)将输入的射频信号T₀分解为至少两路的输出信号T1、T2，分别传送给各辐射单元组成天线阵。

2.根据权利要求1所述的移相器，其特征在于传输线板(4)的微带线由一条宽度不等的主馈曲折线(10)和至少两条宽度不等的分支馈曲折线构成，各段曲折线的长度均为半个波长，以实现功率匹配。

3.根据权利要求1或2所述的移相器，其特征在于微带传输线板(4)中的主馈曲折线(10)经过半个波长后，分开为两条传输线分支(11)和(12)，该两条分支线在叉口处采用不等宽线获得功率分配，将输入的射频信号T₀分解为T1和T2两路，一路T1通过耦合片(8)耦合到金属滑片(3)的两端T3和T4，输出相位相对于输入信号T₀可连续地变化的信号，并分别传送给两个辐射单元，另一路T2直接与同轴线连接，输出相位不变的信号给另一辐射单元，组成三元天线阵列。

4、根据权利要求3所述的移相器，其特征在于将金属滑片(3)的两端输出T3、T4与微带传输线板(4)输出的T2三个端口，分别通过同轴线(15)连接到两两并接的辐射单元(14)上，组成六元天线阵列。

5.根据权利要求1所述的移相器，其特征在于金属滑片(3)组件设为A、B两套，分别与微带传输线板(4)两端相连；微带传输线板(4)中的主馈曲折线(10)分开为三条分支曲折传输线(11)、(12)、(13)，将输入的射频信号T₀分解为T1、T2、T5三路，T1和T5分别通过A、B金属滑板移相，输出为T3、T4、T6、T7四路相位可变的信号，分别连接到各辐射单元，T2输出相位不变的信号直接与另一辐射单元连接，组成五元天线阵列；若将辐射单元(14)两两并接，再分别通过同轴线(15)与该五路输出信号连接，可组成十元天线阵列。

6.根据权利要求1所述的移相器，其特征在于耦合片(8)与滑片(3)平行的边长最佳参数为 微带传输线各段曲折线的长度均为半个波长，滑片(3)构成的传输线的特性阻抗为Z₀，耦合片(8)构成的传输线的特性阻抗为

另一输出端口T1、T5的特性阻抗为 通过微带曲折线阻抗变换，使输入口T₀的输入阻抗等于其特性阻抗为Z₀，再与特性阻抗为Z₀的同轴线连接。

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