一种新型多路宽带小型化差分移相器
阅读说明：本技术 一种新型多路宽带小型化差分移相器 (Novel miniaturized differential phase shifter of multichannel broadband ) 是由 吕云鹏 孔可赛 祝雷 程崇虎 于 2021-01-07 设计创作，主要内容包括：本发明公开了一种新型多路宽带小型化差分移相器,其包括上层金属微带电路,中间层微波介质板和下层金属板；上层金属微带电路包括一个相移参考通路和多个相移输出通路；各通路的相移单元均包括输入输出微带传输线,一对扇形枝节,两对高阻抗微带线及一个贴片电容,其中一对高阻抗微带线由贴片电容连接,将输入输出微带传输线连接在一起,另一对高阻抗微带线末端通过金属过孔接地,并且与扇形枝节分别对称连接在输入输出微带传输线末端。本发明可实现宽频带的多路恒定相差输出,具有小尺寸、低插损、性能稳定,易于加工集成等优点,适合于构建高性能的宽带小型化波束赋形天线阵列和波束赋形网络。(The invention discloses a novel multi-path broadband miniaturized differential phase shifter, which comprises an upper-layer metal microstrip circuit, a middle-layer microwave dielectric plate and a lower-layer metal plate, wherein the upper-layer metal microstrip circuit is provided with a first microstrip line and a second microstrip line; the upper metal microstrip circuit comprises a phase shift reference path and a plurality of phase shift output paths; the phase shift unit of each channel comprises an input and output microstrip transmission line, a pair of fan-shaped branches, two pairs of high-impedance microstrip lines and a patch capacitor, wherein one pair of high-impedance microstrip lines are connected by the patch capacitor to connect the input and output microstrip transmission lines together, and the tail ends of the other pair of high-impedance microstrip lines are grounded through metal through holes and are respectively and symmetrically connected with the fan-shaped branches at the tail ends of the input and output microstrip transmission lines. The invention can realize broadband multipath constant phase difference output, has the advantages of small size, low insertion loss, stable performance, easy processing and integration and the like, and is suitable for constructing high-performance broadband miniaturized beam forming antenna arrays and beam forming networks.)
技术领域
本发明涉及一种新型多路宽带小型化差分移相器，尤其涉及一种同时实现宽频带多路恒定相差输出的宽带小型化移相器，属于微波技术领域，适合于无线通信、雷达和测量系统。
背景技术
差分移相器是相位天线阵列以及波束赋形网络的基本器件，广泛应用于无线通信、雷达和测量系统中。其结构包括相移参考通路和相移输出通路，两个通路在保持信号幅度特性不变的情况下，可以在一定带宽上实现恒定的相位差输出。
传统的宽带差分移相器主要通过经典的谢夫曼(Schiffman)移相结构、加载并联开路/短路枝节、单层/多层耦合线等进行构造。传统的宽带差分移相器在多路输出的应用环境中，针对不同的输出相差，需要同时改变相移参考通路和相移输出通路，从而构成复杂的级联网络,致使移相器尺寸的增大和电路性能的下降。近年来，具有统一相移参考通路的多路宽带差分移相器的设计开始见诸报端，主要的设计有如下几种：1、利用前向耦合线实现40％带宽的0°～180°多路相移输出；2、利用级联耦合线实现45％带宽的45°～135°多路相移输出；3、通过调整传输线上短截线的位置和长宽实现56％带宽的45°～135°多路相移输出；4、利用三层结构的宽边耦合线实现50％带宽的0°～180°多路相移输出。这些现有的多路宽带差分移相器设计受限于可实现的耦合系数和枝节阻抗，相对带宽大于60％以及输出相移值过大(如180°)或过小(如0°～45°)均难以实现。同时宽边耦合结构需要多层介质基板，面临制作成本高和难以与其他平面电路和天线集成的困难。因此，如何通过简单的结构，以小尺寸、低成本在单层平面电路上实现宽频带(≥80％)和大相移范围(0°～180°)的多路相移输出，目前仍然是一个设计难点和挑战。
发明内容
发明目的：为了解决现有技术中存在的上述问题，本发明目的是提出一种新型多路宽带小型化差分移相器，可以在宽频范围内对传输相位进行大范围地调控，具有尺寸小，加工简单，可以在单层PCB板上实现，易于集成等优点。
技术方案：本发明的目的将通过以下技术方案得以实现：一种新型多路宽带小型化差分移相器，包括上层金属微带电路，中间层微波介质板，以及下层金属板；所述上层金属微带电路包括一个相移参考通路和多个相移输出通路；
所述相移参考通路包括一对微带传输线，一对扇形枝节，第一对高阻抗微带线，第二对高阻抗微带线及一个贴片电容；所述一对微带传输线对称设置，且各自有一端作为相移参考通路的输入与输出端口，所述一对扇形枝节以及所述第二对高阻抗微带线分别对称连接在微带传输线另一端，所述贴片电容连接在所述第一对高阻抗微带线之间，所述第一对高阻抗微带线将所述一对微带传输线连接在一起；
所述相移输出通路各自包括输入端微带传输线，输出端微带传输线，一对扇形枝节，第一对高阻抗微带线，第二对高阻抗微带线及贴片电容；每个相移输出通路中，所述输入端微带传输线和输出端微带传输线各自有一端作为相移输出通路的输入与输出端口，所述扇形枝节以及所述第二对高阻抗微带线分别对称连接在输入端微带传输线和输出端微带传输线另一端，所述贴片电容连接在所述第一对高阻抗微带线之间，所述第一对高阻抗微带线将输入端微带传输线和输出端微带传输线连接在一起，所述输出端微带传输线通过调整长度实现不同角度的相移输出。
进一步地，相移参考通路的第二对高阻抗微带线和相移输出通路的第二对高阻抗微带线的另一端通过金属化过孔接地。
进一步地，相移参考通路的第二对高阻抗微带线或相移输出通路的第二对高阻抗微带线弯折成“L”形或“弓”形。
进一步地，相移参考通路的一对微带传输线是轴对称设置的一对矩形微带传输线。
进一步地，多个相移输出通路中的第一相移输出通路的输入端微带传输线为矩形微带传输线，输出端微带传输线进行四次弯折为“几”字形，实现45度相移输出。
进一步地，多个相移输出通路中的第二相移输出通路的输入端微带传输线为矩形微带传输线，输出端微带传输线进行六次弯折为倒“L”形，实现90度相移输出。
进一步地，多个相移输出通路中的第三相移输出通路和第四相移输出通路的输入端微带传输线为矩形微带传输线，输出端微带传输线进行八次弯折为“乙”形，分别实现135度和180度相移输出。
进一步地，通过调整相移参考通路和相移输出通路的扇形枝节张角和半径来获得电路所需旁路电容。
进一步地，通过调整相移参考通路和相移输出通路的第一对高阻抗微带线长度和宽度，来获得电路所需串联电感。
进一步地，通过调整相移参考通路和相移输出通路的第二对高阻抗微带线长度和宽度，来获得电路所需并联电感。
有益效果：本发明提出的新型多路宽带小型化差分移相器通过一对微带传输线，一对扇形枝节，两对高阻抗微带线和一个贴片电容可以在宽频范围内对传输相位进行大范围地调控。测试实验结果表明，其可在带宽80.4％以上实现0°～180°多路相移输出，工作带宽内所有通路的插入损耗小于1.05dB，相位不平衡度小于±6.3°，幅度不平衡度小于0.29dB，相移通路的整体尺寸小于0.30波导波长×0.26波导波长。本发明与现有技术相比，具有如下显著有益效果：
一、本发明所提出一种新型多路宽带小型化差分移相器，可以同时满足宽频带(≥80％)和大相移范围(0°～180°)的多路相移输出。
二、本发明所提出一种新型多路宽带小型化差分移相器，具有电路尺寸小、可以在单层PCB板上实现、易于加工集成和成本低等优点。
附图说明
图1为本发明实施例的结构示意图；
图2为本发明实施例的相移参考通路的结构示意图；
图3为本发明实施例的第一相移输出通路的结构示意图；
图4为本发明实施例的第二相移输出通路的结构示意图；
图5为本发明实施例的第三相移输出通路的结构示意图；
图6为本发明实施例的第四相移输出通路的结构示意图；
图7为本发明实施例的相移参考通路的仿真与测试幅度响应频率曲线图；
图8为本发明实施例的第一相移输出通路的仿真与测试幅度响应频率曲线图；
图9为本发明实施例的第二相移输出通路的仿真与测试幅度响应频率曲线图；
图10为本发明实施例的第三相移输出通路的仿真与测试幅度响应频率曲线图；
图11为本发明实施例的第四相移输出通路的仿真与测试幅度响应频率曲线图；
图12为本发明实施例的各相移通路的测试插入损耗频率曲线图；
图13为本发明实施例的各相移通路的仿真与测试相位响应频率曲线图。
具体实施方式
下面结合实施例及附图对本发明作进一步详细的描述，但本发明的实施方式不限于此。
如图1所示，本发明公开小型化宽带多路多相差分移相器，包括上层金属微带电路，中间层微波介质板(6)，以及下层金属板(7)。上层金属微带电路包括一个相移参考通路(1)和多个相移输出通路(2/3/4/5)。
如图2所示，相移参考通路包括一对微带传输线(a1,a2)，一对扇形枝节(a3,a4)，第一对高阻抗(特性阻抗在100～120欧姆)微带线(a5,a7)，第二对高阻抗微带线(a8,a9)及一个贴片电容(a6)。微带传输线(a1,a2)对称设置，且各自有一端作为相移参考通路的输入端口(P1)与输出端口(P2)，扇形枝节(a3,a4)以及第二对高阻抗微带线(a8,a9)分别对称连接在微带传输线(a1,a2)另一端，贴片电容a6连接在第一对高阻抗微带线(a5,a7)之间，高阻抗微带线(a5,a7)将微带传输线(a1,a2)连接在一起。
相移参考通路的微带传输线长度Lf1可以随意设置，扇形枝节充当旁路电容，贴片电容充当级联电容，根据频带带宽决定旁路电容与级联电容之比，从而得到扇形枝节的设计参数θm和Lm以及贴片电容的电容值。四条高阻抗微带线充当级联电感与并联电感，通过调整其长度Ls1、Ls2、Lp1和Lp2获得相应电感值，从而控制移相器中心频率。微带传输线和高阻抗微带线的宽度W0、Ws和Wp以及扇形枝节的底部宽度Wm根据阻抗匹配来设置。
如图3至6所示，相移输出通路各自包括输入端微带传输线(b1/c1/d1/e1)，输出端微带传输线(b2/c2/d2/e2)，一对扇形枝节(b3/c3/d3/e3,b4/c4/d4/e4)，第一对高阻抗微带线(b5/c5/d5/e5,b7/c7/d7/e7)，第二对高阻抗微带线(b8/c8/d8/e8,b9/c9/d9/e9)及贴片电容(b6/c6/d6/e6)。微带传输线(b1/c1/d1/e1,b2/c2/d2/e2)各自有一端作为相移输出通路的输入端口(P3/P5/P7/P9)与输出端口(P4/P6/P8/P10)，扇形枝节(b3/c3/d3/e3,b4/c4/d4/e4)以及高阻抗微带线(b8/c8/d8/e8,b9/c9/d9/e9)分别对称连接在微带传输线(b1/c1/d1/e1,b2/c2/d2/e2)另一端，贴片电容(b6/c6/d6/e6)连接在高阻抗微带线(b5/c5/d5/e5,b7/c7/d7/e7)之间，高阻抗微带线(b5/c5/d5/e5,b7/c7/d7/e7)将微带传输线(b1/c1/d1/e1,b2/c2/d2/e2)连接在一起。
相移输出通路输入端口侧的微带线长度为Lf1，输出端口侧的微带传输线长度Lfi根据该支路设定的相移量进行设置，为了加工在同一块单层PCB板上，对各支路微带传输线分别进行了相应的弯折处理。扇形枝节充当旁路电容，贴片电容充当级联电容，首先根据旁路电容与级联电容之比以及支路设定相位偏移，判断该支路的旁路电容与级联电容之比是否能实现，如果可以实现，则根据旁路电容与级联电容之比得到扇形枝节的设计参数θm和Lm以及贴片电容的电容值，否则调整该支路的谐振频率再重复上述步骤。四条高阻抗微带线充当级联电感与并联电感，通过调整其长度Lsi和Lpi获得相应电感值，从而控制移相器中心频率。微带传输线和高阻抗微带线的宽度W0、Ws和Wp以及扇形枝节的底部宽度Wm根据阻抗匹配来设置。
为了验证上述理论分析，本发明实施例设计了一款中心频率为2.0GHz，频带带宽80％的五路宽带小型化差分移相器。基板介质采用的是Rogers公司的RO4003C，介电常数εr＝3.55，厚度h＝0.508mm，损耗角正切tanδ＝0.0027。各通路贴片电容分别采用的是Murata公司的GRM1555C1H1R3WA01，GRM1555C2A1R6WA01，GRM1555C2A2R0WA01，GRM1555C2A3R0WA01和GRM1555C2A6R2WA01。各相移通路的具体设计参数详见如下表格。
表1设计参数
图7至图11所示的是各条通路的仿真与测试的幅度频率响应，可以发现幅度响应的电磁仿真曲线与实测曲线基本吻合。在实测的幅度响应数据中，回波损耗大于10dB的相对带宽均达到82％以上，整体带宽为1.2～2.87GHz相对带宽为82.1％，输入端口到输出端口的传输系数在频带82％之内均基本为1，实现宽带低损耗传输。实验结果验证了该多路差分移相器设计具有宽频带稳定的性能满足设计指标。
图12所示为测量插入损耗，在带宽内，插入损耗最大值小于1.05dB，同时幅度不平衡小于0.29dB。
图13所示为各相移输出通路的仿真与测试相位响应频率曲线图，可以发现相位响应的仿真结果与测试结果基本吻合，各支路在频带1.22～2.86GHz内测量相移为45°±4°,90°±5°,135°±5°和180°±6.3°。结合各通路的幅度频率响应，所实现的多路宽带差分移相器的相对带宽为80.4％，工作频率从1.22GHz到2.86GHz。
实验结果验证了该多路宽带差分移相器的设计具有宽频带的相移功能，因此可以很好的应用于高性能的宽带小型化波束赋形天线阵列和波束赋形网络中。并且，上述实施例中各相移通路的整体尺寸小于0.30λg×0.26λg(λg是中心频率点处的波导波长)。本发明是目前已知，实现0°～180°多路相移输出带宽最宽的多路差分移相器，同时具有小尺寸、低插损、性能稳定，易于加工集成等优点。
上述实施例为本发明较佳的实施方式，但本发明的实施方式并不受上述实施例的限制，其他的任何未背离本发明的精神实质与原理作用下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。
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