專利名稱：功分移相器的制作方法
技術領域：
本發(fā)明屬于相控陣饋電網絡領域，特別涉及饋電與移相功能的一體化設計，具體地說是一種功分移相器。
背景技術：
相控陣設計中包括功分網絡、移相器及其控制電路設計。這些器件及電路的集成復雜度、系統(tǒng)損耗和制造成本是設計必須考慮的問題。有源相控陣中采用的T/R(收/發(fā)模塊)組件中的放大器效率較低，固態(tài)移相器的插損較大，使得有源相控陣在很多領域應用受限。因此，減少移相器數量進而降低系統(tǒng)損耗在相控陣領域應用備受關注。2003 年 Abbas Abbaspour-Tamijani 和 Kamal Sarabandi 在美國電氣和電子工程師學會天線與傳播期刊2003年9月第九期(2193— 2202頁)發(fā)表了論文“一種利用交疊平面子陣構成的低成本毫米波波束掃描天線”(“An Affordable Millimeter-wave Beam-Steerable Antenna Using Interleaved Planar Subarrays, "IEEE Transaction on Antennas Propagation, vol. 51，no. 9，pp. 2193-2202，Sep. 2003)。論文中將天線陣列劃分為多個天線子陣的組合，每個子陣只用一個移相器控制饋電相位，每個子陣內部單元的相位是相同的，這實際上是一種相位虛位技術?；谶@種方式還可以將各個子陣重疊或者交叉，從而減少移相器數量，但這種方法會帶來天線陣列增益下降和副瓣升高。2010年D. Hiyaie和A. Mortazawi在美國電氣和電子工程師學會微波理論與技術國際會議上發(fā)表了論文“一種低成本、低復雜度相控陣的設計方法”(“A new approach to design low cost, low complexity phased arrays，，，2010 IEEE MTT-S International, pp. 1270-1273，2010)。論文提出了一種新的相控陣設計方法，該相控陣網絡包括有多個3dB 定向耦合器、放大器、功率合成器和兩個移相器。通過控制移相器和放大器即可實現(xiàn)步進相位和特定幅度分布的輸出。顯然，大量使用3dB定向耦合器、放大器、功率合成器，電路結構同樣使得電路結構復雜和低功率效率。無源相控陣中，通常每一路輸出都需要獨立的一組移相器控制相位，當移相器位數又較多時大量使用移相器導致系統(tǒng)電路結構復雜、體積和插損較大。將功分器和移相器一體化設計從而避免大量使用移相器是一種降低系統(tǒng)復雜性和系統(tǒng)損耗的有效方法，至今還未見有關功分器與移相器一體化設計方法的報道。

發(fā)明內容
本發(fā)明的目的是針對現(xiàn)有的相控陣饋電網絡中功分器與移相器單獨設計然后集成帶來的體積大，損耗大，電路結構復雜等問題，提出一種結構緊湊同時兼有功分與移相功能的功分移相器。
本發(fā)明的技術方案是
一種功分移相器，它為一個功分環(huán)和兩個耦合環(huán)構成的混合環(huán)結構，所述的功分環(huán)的輸入端作為功分移相器的輸入，功分環(huán)的輸出連接兩個并聯(lián)的耦合環(huán)，耦合環(huán)的輸出端作為功分移相器的輸出，所述的功分環(huán)上設有用于控制多個輸出狀態(tài)的多個對應的加載支節(jié)，各加載支節(jié)上分別設有一開關，通過開關控制對應加載支節(jié)實現(xiàn)各狀態(tài)的功分與等差相位信號輸出。本發(fā)明的功分移相器是在PCB板上設計的；PCB從上至下依次為第一導體層、介質層和第二導體層，位于中間的介質層的介電常數大于1，第二導體層為地，第一導體層為微帶電路即功分移相器。本發(fā)明的PCB的第一導體層和第二導體層為導體銅，厚度為0. 00Γ0. Olmm,介質層的厚度為0. 127mnTlmm。本發(fā)明的各狀態(tài)對應的等差相位相位差的大小取決于與狀態(tài)對應的加載支節(jié)的電長度。本發(fā)明的加載支節(jié)的個數與功分移相器的狀態(tài)數相等，功分移相器的狀態(tài)數為偶數時，多個加載支節(jié)對稱的安裝在功分環(huán)的兩側。(因為數字式移相狀態(tài)數為偶數，所以這里我們設計成偶數個狀態(tài)。對稱安裝在功分環(huán)的兩側是根據設計思想而來由于結構對稱性，對稱安裝相同長度的支節(jié)實際上可以實現(xiàn)相同的等幅與反向的等差相位輸出，那么在對稱加載相同長度支節(jié)的兩個狀態(tài)的切換即可實現(xiàn)相鄰輸出端口的相差變化，同時保持幅度不變。)
本發(fā)明的功分移相器的狀態(tài)數為四，四個加載支節(jié)對稱的安裝在功分環(huán)的兩側，位于功分環(huán)同一側的加載支節(jié)的長度不同，二者的長度差決定了輸出的等差相位的變化量，加載短支節(jié)的長度為0. 5^1. 5mm，加載長支節(jié)的長度為3_4mm。(每個狀態(tài)對應加載一個支節(jié)， 形成一定相位的等差相位分布，如設等差相位為thetal，加載另一個支節(jié)是也是形成等差相位分布，設等差相位為theta2，只是等差相位的值不同，那么著兩個支節(jié)的長度差決定了兩個狀態(tài)的等差相位的差值，即theta2- thetal)
本發(fā)明中，當同一側的相鄰兩個加載支節(jié)長度差為(T4mm時，相鄰輸出端口的相位差為0。 20°。本發(fā)明的加載支節(jié)的線寬均為0. 2^0. 6mm，位于同一側的任意兩加載支節(jié)的距離小于2mm ο本發(fā)明的功分移相器的輸入線、輸出線的線寬均為0. Π. 2mm。本發(fā)明中，各加載支節(jié)上的開關與功分環(huán)的距離均為1. ΓΙ. 8mm。本發(fā)明的有益效果
本發(fā)明基于傳輸線加載支節(jié)后的非線性色散特性，在一種具有功分功能的微帶結構上，通過開關控制加載支節(jié)實現(xiàn)功分與等差相位信號輸出。等差相位的大小取決于加載支節(jié)的電長度。該功分移相器的結構緊湊，同時兼有功分與移相的功能。


圖1為本發(fā)明功分移相器的實施例1結構立體示意圖。
圖2為本發(fā)明功分移相器的實施例1結構側視示意圖。圖3為本發(fā)明功分移相器的實施例1結構俯視示意圖。圖4為本發(fā)明功分移相器的實施例1第一個工作狀態(tài)的散射參數示意圖。圖5為本發(fā)明功分移相器的實施例1第一個工作狀態(tài)的散射參數S (2，1)相位示意圖。圖6為本發(fā)明功分移相器的實施例1第二個工作狀態(tài)的散射參數示意圖。圖7為本發(fā)明功分移相器的實施例1第二個工作狀態(tài)的散射參數S (2，1)相位示意圖。圖8為本發(fā)明功分移相器的實施例1第三個工作狀態(tài)的散射參數示意圖。圖9為本發(fā)明功分移相器的實施例1第三個工作狀態(tài)的散射參數S (2，1)相位示意圖。圖10為本發(fā)明功分移相器的實施例1第四個工作狀態(tài)的散射參數S示意圖。圖11為本發(fā)明功分移相器的實施例1第四個工作狀態(tài)的散射參數S (2，1)相位示意圖。
具體實施例方式下面結合附圖和實施例對本發(fā)明作進一步的說明。如圖1所示，一種功分移相器，它為一個功分環(huán)和兩個耦合環(huán)構成的混合環(huán)結構， 所述的功分環(huán)的輸入端作為功分移相器的輸入，功分環(huán)的輸出連接兩個并聯(lián)的耦合環(huán)，耦合環(huán)的輸出端作為功分移相器的輸出，所述的功分環(huán)上設有用于控制多個輸出狀態(tài)的多個對應的加載支節(jié)14，各加載支節(jié)14上分別設有一開關15，通過開關15控制對應加載支節(jié) 14實現(xiàn)各狀態(tài)的功分與等差相位信號輸出。如圖2所示，本發(fā)明的功分移相器是在PCB板上設計的；PCB從上至下依次為第一導體層16、介質層17和第二導體層18，位于中間的介質層17的介電常數大于1，第二導體層18為地，第一導體層16為微帶電路即功分移相器。PCB的第一導體層16和第二導體層 18為導體銅，厚度為0. 004mm，介質層17的厚度為0. 127mnTlmm。本發(fā)明的各狀態(tài)對應的等差相位相位差的大小取決于與狀態(tài)對應的加載支節(jié)14 的電長度。加載支節(jié)14的個數與功分移相器的狀態(tài)數相等，功分移相器的狀態(tài)數為偶數時，多個加載支節(jié)14對稱的安裝在功分環(huán)的兩側。(因為數字式移相狀態(tài)數為偶數，所以這里我們設計成偶數個狀態(tài)。對稱安裝在功分環(huán)的兩側是根據設計思想而來由于結構對稱性，對稱安裝相同長度的支節(jié)實際上可以實現(xiàn)相同的等幅與反向的等差相位輸出，那么在對稱加載相同長度支節(jié)的兩個狀態(tài)的切換即可實現(xiàn)相鄰輸出端口的相差變化，同時保持幅度不變。)當同一側的相鄰兩個加載支節(jié)14長度差為(T4mm時，相鄰輸出端口的相位差變化量為0° ^20°。加載支節(jié)14的線寬均為0.2、. 6mm，位于同一側的任意兩加載支節(jié)14 的距離小于2mm。本發(fā)明的功分移相器的輸入線1、輸出線2-5的線寬均為0. Π. 2mm。本發(fā)明中，各加載支節(jié)14上的開關15與功分環(huán)的距離均為1. ΓΙ. 8mm。實施例一如圖1、2、3所示，左手微帶傳輸線移相器是在PCB板上設計的，采用Rogers RT/ Duroid 5880介質基板；PCB的第一層、第三層為導體銅，厚度為(0. 004mm)，由第三層的金屬構成左手傳輸線的地1，中間層為介電常數2. 2的介質層2，厚度為0. 254mm。1為輸入端口，2、3、4、5為輸出端口，線寬均為0. 78mm。功分移相器的狀態(tài)數以四為例，四個加載支節(jié)14對稱的安裝在功分環(huán)的兩側，位于功分環(huán)同一側的加載支節(jié)的長度不同，二者的長度差決定了輸出的相位差。功分環(huán)的寬邊6、7的線寬0.78mm，功分環(huán)的長邊11、12長度即寬邊6、7的距離為 6. 22mm。耦合環(huán)的寬邊8、9、10的線寬0. 6mm ；耦合環(huán)的長邊長度即寬邊8與9，寬邊9與10 距離為3. 22。功分環(huán)的長邊11的線寬為1. 00mm，功分環(huán)的長邊12的線寬為1. 10mm，兩耦合環(huán)的長邊13線寬為0. 78mm ；功分環(huán)的長邊11與12距離即功分環(huán)的寬邊6、7的長度為5. 4mm, 耦合環(huán)的寬邊8、9、10的長度即耦合環(huán)的長邊12與13距離3. 1mm。加載短支節(jié)的長度為0. 8mm，加載長支節(jié)的長度為3. 5mm。在功分器兩側對稱加載。加載長支節(jié)的末端距功分器5. 2mm，加載短支節(jié)的末端距功分器2. 6mm。開關15與功分器距離均為1.6mm。調節(jié)結構中的輸出傳輸線的長度可以使得第一個工作狀態(tài)實現(xiàn)等幅同相位輸出，其余狀態(tài)實現(xiàn)等幅等差相位輸出。表一為本發(fā)明功分移相器實施例1工作狀態(tài)定義表。
權利要求
1.一種功分移相器，其特征是它為一個功分環(huán)和兩個耦合環(huán)構成的混合環(huán)結構，所述的功分環(huán)的輸入端作為功分移相器的輸入，功分環(huán)的輸出連接兩個并聯(lián)的耦合環(huán)，耦合環(huán)的輸出端作為功分移相器的輸出，所述的功分環(huán)上設有用于控制多個輸出狀態(tài)的多個對應的加載支節(jié)(14)，各加載支節(jié)(14)上分別設有一開關(15)，通過開關(15)控制對應加載支節(jié)(14)實現(xiàn)各狀態(tài)的功分與等差相位信號輸出。
2.根據權利要求1所述的功分移相器，其特征是所述的功分移相器是在PCB板上設計的；PCB從上至下依次為第一導體層(16)、介質層(17)和第二導體層(18)，位于中間的介質層(17)的介電常數大于1，第二導體層(18)為地，第一導體層(16)為微帶電路即功分移相ο
3.根據權利要求2所述的功分移相器，其特征是所述的PCB的第一導體層(16)和第二導體層(18)為導體銅，厚度為0. ΟΟΓΟ. Olmm,介質層(17)的厚度為0. 127mnTlmm。
4.根據權利要求1所述的功分移相器，其特征是所述的各狀態(tài)對應的等差相位相位差的大小取決于與狀態(tài)對應的加載支節(jié)(14)的電長度。
5.根據權利要求1所述的功分移相器，其特征是所述的加載支節(jié)(14)的個數與功分移相器的狀態(tài)數相等，功分移相器的狀態(tài)數為偶數時，多個加載支節(jié)(14)對稱的安裝在功分環(huán)的兩側。
6.根據權利要求5所述的功分移相器，其特征是所述的功分移相器的狀態(tài)數為四， 四個加載支節(jié)(14)對稱的安裝在功分環(huán)的兩側，位于功分環(huán)同一側的加載支節(jié)的長度不同，二者的長度差決定了相應兩個狀態(tài)的輸出的等差相位的變化量，加載短支節(jié)的長度為 0. 5^1. 5mm，加載長支節(jié)的長度為3_4mm。
7.根據權利要求5或6所述的功分移相器，其特征是當同一側的相鄰兩個加載支節(jié) (14)長度差為(T4mm時，相鄰輸出端口的等差相位變化量為0° ^20°。
8.根據權利要求6所述的功分移相器，其特征是所述的加載支節(jié)(14)的線寬均為 0. 2^0. 6mm，位于同一側的任意兩加載支節(jié)(14)的距離小于2mm。
9.根據權利要求1所述的功分移相器，其特征是所述的功分移相器的輸入線(1)、輸出線(2-5)的線寬均為0. 4 1.2mm。
10.根據權利要求1所述的功分移相器，其特征是各加載支節(jié)(14)上的開關(15)與功分環(huán)的距離均為1. ΓΙ. 8mm。
全文摘要
一種功分移相器，它為一個功分環(huán)和兩個耦合環(huán)構成的混合環(huán)結構，所述的功分環(huán)的輸入端作為功分移相器的輸入，功分環(huán)的輸出連接兩個并聯(lián)的耦合環(huán)，耦合環(huán)的輸出端作為功分移相器的輸出，所述的功分環(huán)上設有用于控制多個輸出狀態(tài)的多個對應的加載支節(jié)(14)，各加載支節(jié)(14)上分別設有一開關(15)，通過開關(15)控制對應加載支節(jié)(14)實現(xiàn)各狀態(tài)的功分與等差相位信號輸出。本發(fā)明基于傳輸線加載支節(jié)后的非線性色散特性，在一種具有功分功能的微帶結構上，通過開關控制加載支節(jié)實現(xiàn)功分與等差相位信號輸出。等差相位的大小取決于加載支節(jié)的電長度。該功分移相器的結構緊湊，同時兼有功分與移相的功能。
文檔編號H01Q3/32GK102420351SQ20121000062
公開日2012年4月18日 申請日期2012年1月4日 優(yōu)先權日2012年1月4日
發(fā)明者朱旗, 邢紅兵 申請人:鎮(zhèn)江中安通信科技有限公司