CN1499670A - 混合移相器和功率分配器 - Google Patents

Abstract

一个用于调节信号的、包括一个混合移相器和功率分配器的装置。功率分配器电路包括一条带有一个输入端口和两个不对称输出端口的传输线，第一接地层，第二接地层以及第一电介质区域。可变移相器包括传输线和一个位于第一电介质区域内位置可变的电介质片。电介质片和功率分配器电路的相对位置决定了信号中的相位改变。由以上设置，本发明需要的空间大为减少并且减少了部件和电缆互连的数量。

Description

混合移相器和功率分配器

技术领域

本发明涉及一个用来调节一个信号的装置，尤其涉及一个应用于天线阵列的混合的移相器和功率分配器。本发明实现于一个用来在混合移相器和功率分配器中分配信号功率和改变信号相位的装置和方法。

背景技术

频谱范围从300MHz(兆赫兹)到300GHz(千兆赫兹)的电磁波通常被称为微波。波长范围从1米到1毫米，低频电路分析方法不能适用，而必须应用传输线理论。在传输线理论中，沿传输线传输的电压和电流的幅度和相位能作为其位置的函数而变化。因此，必须使用适用于微波信号的装置。

在天线中，串联的分离移相器和功率分配器可以被用来构成用于多元件天线阵列的馈线网络。这一设置可以用在电子可调下倾(down-tilt)天线阵列的馈线网络中，比如那些用在无线通信网络的基站应用中的馈线网络。这类合并了使用分离元件的馈线网络的天线比那些不引入电子调节下倾功能的天线要求更多的空间。作为在电子调节下倾设置中使用分离组件的结果，天线的横截面必然被扩大以解决组件数量增加的问题。或者，分离组件可以位于基座的两侧，而且需要一个环绕雷达天线罩来封装该装置以保护其不受上述元件的影响。在实际应用中由于空间有限，这些设置可能会变得成问题。举例来说，一个通信系统应用了包括两个或更多馈线网络设计的双波段天线阵列，比如需要4个分离馈线网络的双波段分集式电子可调下倾天线，那么该通信系统将会需要不合实际的大量空间。

美国专利第5,075,648(Roberts等人)公开了一个混合模式的射频移相器和可变功率分配器。如图8及图9中所描述，所示出的一个小型化波导包括一个可变功率分配器，该功率分配器包括耦合在一个威金森式微带线功率分配器94和一个90度混合微带线分支线95之间的第一移相器106和第二移相器107。移相器106及107每个都可以有一个悬挂于衬底88的地平面100上的环状结构。Roberts等人并没有公开一个当相对于功率分配器移动时起移相器作用的电介质片。

美国专利第6,075,424(Hampel等人)示出了一个带有一个移相器的装置，该移相器包括一个可移动电介质元件。如图1A中所描述，该装置包括一个移相组件4a，一条包括微带线2的传输线，以及一个接地层6，其中移相器4a能够沿箭头12所指的方向移动，使得在微带线2中传输的电子信号的相位能够与穿过接地层和传输线之间的电介质材料的数量成函数关系变化。然而，Hampel等人公布的该发明，并没有公开一个混合的移相器和功率分配器。

美国专利第4,117,494(Frazita)的图13示出了一个包括一个相位调节装置的天线耦合网络，该相位调节装置包括一个位于一个电介质片78上的导带80和一个环状铁氧层90，其中铁氧层90位于导带80之上以在导体中传输的电子信号引起一个相位调节。同样的，Frazita并没有公开这样一个混合功率分配器/移相器的特定设置，在该设置中应用了一个组合的功率分配器电路和移相器，而其中的移相器是以一个可移动电介质片的形式实现的。

发明内容

这样，本发明的一个目的是提供一个用于调节信号的装置，该装置克服了跟上述各装置相关联的种种难题。

本发明涉及一个可以用在电子可调下倾天线阵列中的混合的功率分配器和移相器，其中在该天线阵列中的元件相位(elementphase)可以通过操作可调相移装置来改变。该阵列包括一个应用微带线或者带状线传输线的功率分配器，以及一个电介质片。移相器和功率分配器结合在一起构成一个混合组件，其中电介质片能够被操控使得其能够相对于功率分配器移动以改变电子信号的相位。

特别地，该电介质片被设置为可越过传输线滑动以改变电子信号的相位。相位改变能够作为电介质片与功率分配器电路相对位置的函数、或者作为传输线被电介质片覆盖或交叠的数量的函数而被量度。

在本发明的一个实施方案中，多个混合移相器和功率分配器被串联起来以构成一个多级的混合移相器和功率分配器。在另一个实施方案中，多个应用带线传输线的混合电路被并行层叠并应用于不同的天线阵列设置。

本发明实现于一个用于调节信号的方法，此方法包括分配信号功率及移动信号相位。信号功率通过传输线的第一和第二输出端口分配，信号相位则通过滑动接地层和传输线之间的电介质片来改变。

此外，上面的方法还包括在一个多级混合移相器和功率分配器中连续重复分配信号功率和改变信号相位的步骤。或者，上面的方法还包括把多个多极混合移相器和功率分配器并行层叠在一起。

附图说明

本发明的其他特点和优点能够从接下来的描述连同附图中明显的看出来，其中：

图1是混合移相器和功率分配器中的传输线和电介质片的顶视图；

图2是混合移相器和功率分配器的透视图；

图3是多级混合移相器和功率分配器中的传输线和电介质片的顶视图；

图4是层叠混合移相器和功率分配器的侧视图；

图5是一个包括混合移相器和功率分配器的天线的反射板的底视图；以及

图6是图5中所示的反射板的顶视图。

具体实施方式

一个示例性的第一种实施方案将按照附图被描述。图1和图2示出了一个以本发明的第一种实施方案的形式实现的混合移相器和功率分配器。此装置包括一个由传输线110构成的功率分配器，该传输线有一个输入端，一个输出端，第一表面111，第二表面112以及一个用来指示电子信号在传输线110中传输方向的第一方向1。在这个实施方案中，传输线是传送微波信号的带状线传输线。或者，传输线110也可以是微带线传输线。在结构上，传输线110由压制黄铜或其他任何导体构成。第一表面111和第二表面112是传输线110的对表面。一个输入端口114位于传输线110的输入端，第一输出端口116和第二输出端口118都位于传输线110的输出端。这里，第一输出端口116和第二输出端口118在几何大小上是不对称的，其原因下面将会解释。或者，输入端口是接收端口，输出端口是发射端口。此外，在另一个实施方案中，输入端口是发射端口而输出端口是接收端口。

在传输线110下面是第一导电接地层231，传输线110上面是第二导电接地层232。在传输线110和第一导电接地层231之间是第一电介质区域241。同样的，传输线110和第二导电接地层232之间是第二电介质区域242。或者，第一导电接地层231是图5和图6中所示的一个反射板531。

在传输线110中，有开孔119a和119b，电介质架的一端就位于其上。电介质架的第二端位于第一导电接地层231上以把传输线110固定在第一导电接地层231和第二导电接地层232之间的固定距离上。

此外，有一个可变移相器包括传输线110和一个可移动电介质片160，该电介质片位于第一空气电介质区域241内能沿着与第一方向1垂直的第二方向2移动位置，用于在微波信号中引起相位改变。相位改变的数量是电介质片160沿第二方向和传输线110的相对位置的函数。电介质片160厚度均匀并在第二方向上有一个双三角形前缘165，以匹配传输线110中的阻抗。电介质片160不限于所述的形状而可以有不同的形状。

这个实施方案的操作将会在接下来描述。

一个电子信号，比如说微波信号，从输入端口114输入。当信号沿传输线110传输时，位于传输线110和第一导电接地层231之间的电介质片160对传输线110中的微波信号进行电介质加载，从而在传输线上导致了一个介电常数。这样，当信号从一个没有交叠电介质片160的区域传输到一个交叠了电介质片160的区域时就会受到一个介电常数的变化。这个传输线中介电常数的变化导致了微波信号中的相位变化。

相位变化的数量能根据电介质片160位于传输线110和第一导电接地层231之间的数量而变化。电介质片160的双三角形前缘165的几何形状使得当电介质片160在第一空气电介质区域241中沿着第二方向2移动时和传输线110交叠的电介质数量能够逐渐增加。当交叠的电介质数量渐增时，传输线110中的介电常数就会增大，从而依次增大了微波信号相位变化的数量。电介质片并不限于所述的形状。须注意电介质片可以是任何实际的形状，只要传输线上的电介质加感能够依照电介质片关于传输线的相对位置而改变。

在此装置的第二个实施方案中，多个混合移相器和功率分配器串联在一起以构成一个多级混合移相器和功率分配器。在图3中描述了一部分这个多极混合移相器300，即，一个串联4路功率分配器310和4个电介质片320、340、360以及380。电介质片320、340、360及380中的每一个都被包括入这个多极混合移相器和功率分配器的一级。也就是说，存在4级3100、3200、3300和3400，其中分别包括一个混合移相器和功率分配器3110、3232、3310和一个移相器3410。如图3中所示，3200、3300和3400，每一级都有一个输入端口以对应于前级混合移相器和功率分配器的一个输出端口。为了保证所有输出端口315、316、317和318有特定的功率输出，在3100、3200和3300各级中单个的功率分配器是不对称功率分配器。虽然这个实施方案描述了一个4级混合移相器和功率分配器，本发明也能够以不同的级数实现。在一个转换设置中，这个实现方案是一个有一个输入312和4个输出315、316、317以及318的单个串联4路混合移相器和功率分配器。

图4示出了本发明的第三个实施方案。第三个实施方案具有一个多个多级混合移相器和功率分配器的层叠设置。每个多级混合移相器和功率分配器都和在层叠方向上邻近的一个多级混合移相器和功率分配器共用一个接地层。举例来说，一个多级混合移相器400有一个第二导电接地层432，而这个接地层同时也作为另一个多级混合移相器和功率分配器500的第一导电接地层531。或者，也可以有一个单级混合移相器和功率分配器的层叠设置，每个单级混合移相器和功率分配器都和邻近的另一个共用一个接地层。

在一种应用中，混合移相器和功率分配器被用于天线的馈线网络中，如图5及图6所示。图5示出了一个包括一个多级混合移相器和功率分配器300的天线500，该混合移相器和功率分配器附在天线反射板531的底部。图6是图5中所描述设置的顶视图，其中示出了位于反射板531顶部的双偶极天线615、616、617以及618。图5和图6中所示出的同轴电缆515、516、517以及518分别把多级混合移相器和功率分配器中的输出端口315、316、317以及318和双偶极天线615、616、617以及618连接在一起。特别地，天线500是一个提供电子可调节下倾的极化分集式天线，对倾角的调节通过调节一个元件相位(element phase)来实现。

因此，作为将多级移相器和功率分配器组合在一个压缩混合封装中的结果，馈线布局所需要的空间将会大为减少。另外，此混合移相器和功率分配器还有一个节省成本的设计，该设计能够减少构造装置所需的部件和电缆互连的数量。

上面提到的天线阵列可以是应用在PCS、蜂窝网络或其他任何无线网络中的单波段、双波段、单波段分集式或者双波段分集式天线阵列。须注意本发明也可以应用在其他的发射接收装置中。

本发明是依照上面的实施方案所描述的，这些实施方案应该被视作是说明性的而非是限定性的，因此本发明应被视作有广泛的应用。本发明所基于的原理也能够按需要应用到其它的频段。

可以预期，在不违背如下面权利要求书中所规定的本发明的精神和意图的情况下，可以对本发明做大量的修改。

Claims (21)

1.一个用于调节信号的装置，包括：

一个功率分配器电路，包括：

一条带有一个输入端和一个输出端的传输线；

位于传输线所述输入端的一个输入端口；

位于传输线所述输出端的第一输出端口和第二输出端口；

一个第一接地层和一个第二接地层中至少其一；

所述第一接地层和传输线之间的第一电介质区域和所述第二接地层和传输线之间的第二电介质区域中至少其一；以及

一个可变移相器，包括至少一部分所述传输线以及一个位于第一电介质区域内位置可变的电介质片。

2.如权利要求1中所述的装置，其中功率分配器电路是一个带状线功率分配器和一个微带线功率分配器中的一个。

3.如权利要求2中所述的装置，其中：

功率分配器电路是包括第一接地层、第二接地层、第一电介质区域以及第二电介质区域的带状线功率分配器，

传输线是一条具有第一表面和第二表面的导电内传输线，第一表面和第二表面是内传输线的两个相对表面，并且这条内传输线具有在信号传输方向上的第一方向，

所述第一接地层是位于内传输线下方的第一导电接地层，以及

所述第二接地层是位于内传输线上方的第二导电接地层。

4.如权利要求3中所述的装置，其中第一电介质区域和第二电介质区域都包括气隙。

5.如权利要求4中所述的装置，其中电介质片位于第一电介质区域内沿着与第一方向垂直的第二方向滑动，以在信号中引起一定数量的相位改变，这一相位改变的数量是电介质片与带状线功率分配器沿第二方向的相对位置的函数。

6.如权利要求5中所述的装置，其中所述装置是一个串联在一起的N级混合移相功率分配器的第一级混合移相器和功率分配器。

7.如权利要求5中所述的装置，其中所述装置是一个层叠的多装置设备的第一装置，所述多装置设备包括多个装置，每个装置都与相邻的装置共享一个公用接地层。

8.一个用于极化分集式天线电子可调下倾阵列的馈线网络，其中所述天线通过调节一个元件相位来提供所述下倾，所述馈线网络包括如前面权利要求5所述的混合移相器和功率分配器。

9.如权利要求5中所述的装置，其中电介质片厚度均匀且在第二方向上有一个双三角形前缘以匹配传输线中的阻抗。

10.如权利要求2中所述的装置，其中：

功率分配器电路包括微带线功率分配器和第一接地层，

传输线是一条具有第一表面和第二表面的导电内传输线，第一表面和第二表面是内传输线的两个相对表面，并且这条传输线具有信号传输方向上的第一方向，

第一接地层是位于内传输线下方的第一导电接地层，以及

第二接地层是位于内传输线上方的第二导电接地层。

11.如权利要求10中所述的装置，其中第一电介质区域是一个气隙。

12.如权利要求11中所述的装置，其中电介质片位于第一电介质区域内沿着与第一方向垂直的第二方向滑动，以在信号中引起一定数量的相位改变，这一相位改变的数量是电介质片与微带线功率分配器沿第二方向的相对位置的函数。

13.如权利要求12中所述的装置，其中所述装置是一个串联在一起的N级混合移相器和功率分配器的第一级混合移相器和功率分配器。

14.如权利要求12中所述的装置，其中所述装置是一个层叠的多装置设备的第一装置。

15.一个用于极化分集式天线电子可调下倾阵列的馈线网络，其中所述天线通过调节一个元件相位来提供下倾，所述馈线网络包括如前面权利要求12所述的混合移相器和功率分配器。

16.如权利要求12中所述的装置，其中电介质片厚度均匀且在第二方向上有一个双三角形前缘以匹配内传输线中的阻抗。

17.一个馈线网络中的微波信号多级混合移相器和带状线功率分配器，其中该网络用于极化分集式天线电子可调下倾阵列，所述天线通过调节一个元件相位来调节天线下倾，所述多级混合移相器和带状线功率分配器包括多个串联在一起的混合移相器和功率分配器，每个混合移相器和功率分配器包括：

一个空气电介质带状线不对称功率分配器，包括：

一条具有第一表面和第二表面的导电内传输线，第一表面和第二表面是内传输线的两个相对表面，一个和微波信号传输方向一致的第一方向，一个输入端，一个输出端；

位于内传输线输入端的一个输入端口；

位于内传输线输出端的两个不对称输出端口，包括第一输出端口和第二输出端口；

位于内传输线下方的第一导电接地层；

位于内传输线上方的第二导电接地层；

位于内传输线第一表面和第一导电接地层之间的第一空气电介质区域；以及

位于内传输线第二表面和第二导电接地层之间的第二空气电介质区域；

一个可变移相器，包括至少一部分空气电介质带状线不对称功率分配器以及一个位于第一空气电介质区域内可沿着与第一方向垂直的第二方向滑动的可移动电介质片，该电介质片厚度均匀且在第二方向上有一个双三角形前缘。

18.如权利要求17中所述的多级混合移相器和功率分配器，其中，所述多级混合移相器和功率分配器是一个层叠的多个多级混合移相器和功率分配器设置中的第一多级混合移相器和功率分配器，每一个混合移相器和功率分配器都和其层叠方向上邻近的一个多级混合移相器和功率分配器共用一个公共接地层。

19.一个调节信号的方法，包括：

a)分配信号功率，包括：

输入信号；

传输信号；

分配信号功率；以及

b)改变信号相位，包括：

在位于第一导电接地层和传输线之间的第一电介质区域内滑动一个电介质片；

通过改变电介质片位置改变相位移动的数量。

20.如权利要求19中所述的方法，其中此方法还包括c)连续重复包括a)和b)的步骤序列多次，以在一个多级混合移相器和功率分配器中调节信号。

21.如权利要求20中所述的方法，其中此方法还包括：

d)将多个多级混合移相器和功率分配器并行层叠在一起，以及

e)同时执行所述步骤序列多次。

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